Обґрунтування параметрів рушіїв механізму переміщення очисних комбайнів для тонких пластів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обґрунтування параметрів рушіїв механізму переміщення очисних комбайнів для тонких пластів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Аналіз роботи вугільної промисловості України, який було проведено ДП «Дондіпровуглемаш», показує, що за період з 1996 по 2007 роки, відбулося значне скорочення числа комплексно-механізованих вибоїв (КМВ) в 2,2 рази (з 428,3 до 197,5). Однак за рахунок технічного переоснащення вугільних підприємств сучасними очисними комплексами обсяг видобутку із КМВ виріс із 52,4 до 61,4 млн. т. При цьому середнє навантаження на КМВ досягло максимального значення (904 т/доб) у 2007 році, що перевищило показник 1996 року в 2,5 рази. Середня довжина КМВ за зазначений період виросла на 12% (з 178 м до 199 м). Необхідно відзначити, що в структурі промислових запасів вугілля України на частину тонких пластів потужністю до 1,2 м доводиться 70,4%, а за цей період середньодинамічна геологічна потужність пластів, що відпрацьовують КМВ, знизилася з 1,45 м до 1,36 м.

У зв'язку із цим стає актуальним створення для виїмки тонких пластів нових очисних комбайнів, що оснащено вбудованими механізмами переміщення, які мають переваги перед винесеною системою переміщення в довгих очисних вибоях, особливо з неспокійною гіпсометрією пластів.

Очисний комбайн УКД300 є першим, у практиці вітчизняного гірничого машинобудування, комбайном для виїмки тонких пластів, що оснащено безланцюговим механізмом переміщення, що дозволяє не обмежувати довжину лави, що виймається. Комбайн дозволяє відпрацьовувати пласти потужністю 0,85-1,5 м без руйнування бокових порід, що значно знижує зольність вугілля, що добувається. За рахунок високої енергооснащеності (420 кВт) і швидкості переміщення (до 12 м/хв) максимальна продуктивність комбайна, залежно від опору вугілля різанню, становить до 12 т/хв.

На комбайні використано дворушійний цівково-рейковий механізм переміщення із частотно-регульованим електроприводом. Триелементні рушії комбайна конструктивно об'єднані зі зворотними захватами, що виконують функцію завальних опор.

Експлуатація комбайна УКД300 виявила недостатність тягових характеристик механізму переміщення, головною причиною якої є неузгоджена робота частотно-регульованих приводів дворушійного механізму переміщення.

Жорсткі вимоги до габаритів комбайнів для тонких пластів не дозволяють компенсувати зазначений недолік за рахунок збільшення потужності привода механізму переміщення, що становить 2х30 кВт.

Таким чином, питання обґрунтування конструктивних, силових і кінематичних параметрів дворушійного механізму переміщення очисних комбайнів, призначених для виїмки тонких пластів, з урахуванням взаємодії двох частотно-регульованих приводів механізму переміщення та врахуванням впливу на їх навантаженість кінематичних і силових параметрів двох систем «колесо-зірка-рейка», що змінюються (у загальному випадку несинфазно) у процесі зачеплення зубів приводних зірок, є актуальним і вимагає детального вивчення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку кафедри «Гірничі машини» ДонНТУ - «Розробка теорії робочих процесів і методів підвищення технічного рівня гірничих машин», виконана в рамках аспірантського плану науково-дослідної роботи та науково-дослідних робіт (держбюджетної Д 5-05 (№0105U002289) і госпдоговірної Г04-90).

Метою роботи є підвищення продуктивності і ресурсу очисних комбайнів, призначених для виїмки тонких пластів, за рахунок обґрунтування параметрів рушіїв дворушійного частотно-регульованого механізму переміщення.

Задачі дослідження:

1) Розробити стенд і провести експериментальні дослідження коливань навантаження в приводах дворушійного механізму переміщення комбайна, виконати обробку та узагальнення результатів експериментальних досліджень.

2) Розробити математичну модель робочого процесу дворушійного механізму переміщення, що враховує особливості конструктивних параметрів механізму переміщення і опорно-напрямних пристроїв комбайна УКД300.

3) Розробити алгоритм і програму, виконати моделювання робочих процесів механізму переміщення комбайна УКД300.

4) Установити закономірність формування навантаження в частотно-регульованих приводах дворушійного механізму переміщення.

5) Оцінити вплив коливань навантаження у дворушійному механізмі переміщення очисного комбайна УКД300 на продуктивність і ресурс.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є процес формування навантаження в частотно-регульованих асинхронних електроприводах дворушійного механізму переміщення очисного комбайна УКД300.

Предмет дослідження - характеристики дворушійного механізму переміщення очисного комбайна, обумовлені конструктивними параметрами частотно-регульованого привода, розрахунковий ресурс механізму переміщення і теоретична продуктивність очисних комбайнів.

Методи дослідження. Задачі дослідження вирішувалися на основі системного підходу з використанням методів твердотільного тривимірного моделювання на ЕОМ, планування і проведення експерименту (при дослідженні коливань навантаження у дворушійному механізмі переміщення). Також використовувалися методи математичного моделювання робочого процесу гірничих комбайнів і статистичної теорії руйнування від утомленості деталей при визначенні розрахункового ресурсу механізму переміщення очисного комбайна.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджене формування в частотно-регульованих приводах дворушійних механізмів переміщення очисних комбайнів незбіжних між собою по фазі коливань навантаження з періодом, рівним періоду зачеплення зуба приводної зірки із цівковою рейкою, і амплітудою, що залежить від величини зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок із цівковою рейкою, середньої швидкості переміщення та номінального ковзання електродвигунів.

2. Уперше встановлені закономірності, що характеризують співвідношення між миттєвими значеннями крутного моменту на вихідному валу редуктора і тягового зусилля, а також швидкості переміщення і кутової частоти обертання вихідного вала редуктора в триелементному рушії механізму переміщення. Зазначені співвідношення запропоноване характеризувати наведеними силовим і кінематичним радіусами, які в процесі зачеплення змінюються в широких межах (для комбайна УКД300 від 102 до 128 мм при незношених профілях) і є періодичними функціями кута повороту приводного колеса, вид яких залежить за інших рівних умов від міжцентрової відстані зачеплення зірка-рейка, а також від ступеня зношування контактуючих поверхонь зубів і рейки.

3. Уперше встановлене, що підвищення теоретичної продуктивності (на 13-23%) очисного комбайна для виїмки тонких пластів і розрахункового ресурсу (в 2,8-3,0 рази) редуктора механізму переміщення забезпечується зниженням амплітуд коливань навантаження в приводах механізму переміщення із частотно-регульованими електродвигунами, що досягається за рахунок забезпечення синфазного зачеплення зубів обох приводних зірок.

Вищевикладені наукові результати є теоретичною базою нового рішення актуальної наукової задачі, що полягає в обґрунтуванні параметрів триелементних рушіїв дворушійних механізмів переміщення із частотно-регульованим електроприводом очисних комбайнів для виїмки тонких пластів, що забезпечує підвищення продуктивності і ресурсу цих машин.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості використання при створенні та модернізації очисних комбайнів високого технічного рівня:

- математичного та програмного забезпечення для моделювання робочого процесу дворушійного механізму переміщення із частотно-регульованим приводом;

- результатів моделювання робочого процесу дворушійного механізму переміщення із частотно-регульованим приводом для оцінки розрахункового ресурсу редуктора і теоретичної продуктивності очисних комбайнів;

- методики та результатів оцінки впливу несинфазних коливань навантаження в приводах дворушійного механізму переміщення очисного комбайна на розрахунковий ресурс редуктора і теоретичну продуктивність очисного комбайна;

- розроблених рекомендацій, спрямованих на усунення несинфазних коливань навантаження в приводах дворушійних механізмів переміщення очисних комбайнів.

Результати роботи використані конструкторами ДП «Дондіпровуглемаш» при розробці нового очисного комбайна УКД400, призначеного для відпрацьовування тонких пластів.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані особисто автором. У роботі використані результати експериментальних досліджень очисного комбайна УКД300, проведених при участі автора на етапах підготовки, проведення випробувань і обробки результатів. Теоретичні дослідження виконані автором самостійно, включаючи основні ідеї та методики теоретичних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи оприлюднені і були схвалені на:

- міжнародній науково-технічній конференції «Гірнича енергомеханіка і автоматика - 2004», ДонНТУ, м. Донецьк, 23-26 листопада 2004 р;

- міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2005», Криворізький технічний університет, м. Кривій Ріг, 17-21 травня 2005 р;

- міжнародній науково-технічній конференції «Гірниче обладнання - 2005», ДонНТУ, м. Донецьк, 10-13 жовтня 2005 р;

- міжнародній науково-технічній конференції «Гірнича енергомеханіка і автоматика - 2006», ДонНТУ, м. Донецьк, 21-24 листопада 2006 р;

- міжнародній науково-технічній конференції «Гірнича енергомеханіка і автоматика - 2007», ДонНТУ, м. Донецьк, 20-23 листопада 2007 р.

Публікації. За результатами виконаної роботи автором опубліковано 9 статей у фахових наукових виданнях ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з наступних структурних елементів: вступ, п'ять основних розділів, висновки, список використаних джерел з 85 найменувань і п'ять додатків, 59 рисунків, 11 таблиць. Робота викладена на 214 сторінках, у тому числі: 144 сторінки основного тексту, 13 сторінок рисунків, список використаної літератури на 10 сторінках, 47 сторінок додатків.

Основний зміст роботи

дворушійний комбайн привід

У першому розділі дисертації «Стан питання та постановка завдання дослідження» проаналізовані результати досліджень механізмів переміщення очисних комбайнів для тонких пластів.

Питаннями створення і дослідження механізмів переміщення очисних комбайнів займаються наступні підприємства і організації: інститути «Дондіпровуглемаш» і «Гіпровуглемаш», ЗАТ «Горлівський машинобудівник», НКМЗ, ДонНТУ, ТулДУ, Остравський та Аахенський технічні університети.

Значний внесок у дослідження і створення очисних комбайнів та їх механізмів переміщення внесли доктори технічних наук: Бойко М.Г., Бреннер В.О., Горбатов П.А., Гуляєв В.Г., Лукієнко Л.В., Кондрахін В.П., Семенченко А.К., Стаднік М.І., кандидати технічних наук Горобець І.О., Дейниченко В.А., Лукієнко В.Г., Лисенко М.М., Нечепуренко М.С., Плюнгін О.В., інженери Костюков В.М., Рябченко О.С. і багато інших.

У роботах цих вчених розглянуті питання аналізу і синтезу геометричних параметрів дво- і триелементних рушіїв цівково-рейкових механізмів переміщення, розглянуті питання силової і кінематичної нерівномірності зачеплень. Результати цих досліджень свідчать про органічно властивий дво- і триелементним цівково-рейковим рушіям недолік, що полягає у істотній зміні за цикл зачеплення миттєвого значення передатного відношення рушія.

Однак відомі розробки в розглянутій області не стосувалися питань обґрунтування конструктивних, силових і кінематичних параметрів дворушійного механізму переміщення очисних комбайнів, призначених для виїмки тонких пластів, з урахуванням взаємодії двох частотно-регульованих приводів механізму переміщення та врахуванням впливу на їх навантаженість кінематичних і силових параметрів двох систем «колесо-зірка-рейка», що змінюються (у загальному випадку несинфазно) у процесі зачеплення зубів приводних зірок.

Для оцінки впливу коливань навантаження в механізмі переміщення на ресурс елементів редуктора запропоновано використати імовірнісний метод розрахунку деталей на втомну довговічність при нерегулярному багатоцикловому навантаженні.

У другому розділі «Експериментальні дослідження робочих процесів дворушійного механізму переміщення комбайна УКД300 на повнорозмірному стенді» описані етапи планування, проведення та аналізу результатів експериментальних досліджень механізму переміщення очисного комбайна УКД300. Фактичні режими навантаження опорно-напрямної системи та механізму переміщення комбайна імітувалися за допомогою другого комбайна, механізм переміщення якого працював у гальмовому режимі, і додаткових вантажів, установлених замість виконавчих органів.

У процесі експериментальних досліджень очисного комбайна УКД300 реєструвалося 12 параметрів, необхідних для аналізу навантажень у механізмі переміщення. На підставі їхнього аналізу була виявлена істотна нерівномірність навантаження в механізмі переміщення. На осцилограмах крутних моментів у приводі варто виділити, в першу чергу, високочастотні (від 0,28 до 1,39 Гц залежно від швидкості переміщення) складові коливань, період яких дорівнює періоду зачеплення зуба зірки із цівковою рейкою (крок 0,1 м). При цьому коефіцієнт варіації крутного моменту в приводі досягає 0,356 (див. рис. 1).

Експериментально встановлено, що величина зрушення фази Дц між початком зачеплення зубів приводних зірок становить, залежно від кількості стикових ділянок, 15-28% тривалості циклу зачеплення зуба приводної зірки із цівкою, що відповідає 7-14° кута повороту приводного колеса.

Міжцентрова відстань у зачепленнях «приводна зірка - цівка» триелементних рушіїв становить не номінальні 147 мм, а внаслідок перекладки зазорів у зворотних захватах збільшується до 160 мм, що впливає на характер зміни силових і кінематичних параметрів рушіїв.

Як показали експериментальні дослідження, при переході рушія на роботу з міжцентровою відстанню 150 мм (практично відповідає номінальній) не відбувається якісних змін у процесах формування моментів у приводах зірок. Однак, як показали результати статистичної обробки, зменшення міжцентрової відстані в зачепленні «приводна зірка - цівка» до номінальної дозволяє зменшити коефіцієнти варіації навантаження в приводах механізму переміщення приблизно на 10-15%.

Крива крутного моменту практично повторює криву зусилля на вимірювальну цівку без істотного зрушення фази коливань. Це свідчить про можливість в першому наближенні виконувати аналіз навантажень у механізмі переміщення, використовуючи методи кінетостатики без врахування інерційних складових.

У роботі введені поняття наведеного кінематичного r_к(ц_к) та наведеного силового r_с(ц_к) радіусів, які поряд з кутом тиску ц(ц_к) характеризують кінематичну та силову нерівномірність у триелементному рушії за період зачеплення зуба приводної зірки із цівкою. Фізичний зміст цих понять пояснено на рис. 2 та виразами:

, (1)

де V_П - швидкість переміщення комбайна;

щ_к - кутова швидкість колеса триелементного рушія;

M_кр - крутний момент на колесі триелементного рушія;

Q_Т - тягове зусилля рушія;

ц_к - кут повороту колеса триелементного рушія.

На підставі результатів натурного експерименту та 3D моделювання були отримані періодичні функції r_к(ц_к), r_с(ц_к) і ц(ц_к) як для нових, так і для зношених елементів рушія комбайна УКД300. Ці залежності, представлені у вигляді ряду Фур'є, використані при математичному моделюванні робочого процесу механізму переміщення.

Як показали результати вимірів елементів рушія, наробіток якого склав 90 тис. т вугілля, профілі зубів значно зношуються (8-8,5 мм на сторону для зуба зірки та 14 мм на сторону для зуба колеса) навіть за відносно невеликий період експлуатації (2-3 місяця). Отже, зменшення інтервалу зміни функцій r_к(ц_к), r_с(ц_к) і ц(ц_к) шляхом оптимізації профілів контактуючих елементів не буде ефективним без значного підвищення зносостійкості контактуючих профілів.

На підставі спеціальних експериментальних досліджень отримана залежність висоти (м) піднімання завальної сторони рештака конвеєра від величини реакції R (Н) у завальній опорі комбайна:

. (2)

Ця залежність необхідна для визначення реакцій, що формуються в опорно-напрямних пристроях очисного комбайна.

У третьому розділі «Математична модель робочого процесу дворушійного механізму переміщення очисного комбайна УКД300» теоретично обґрунтований механізм виникнення нерівномірного розподілу навантажень між приводами частотно-регульованого дворушійного механізму переміщення. Дано обґрунтування застосовності методів кінетостатики для вивчення досліджуваних процесів, оскільки власні частоти парціальних підсистем не менш, ніж в 20 разів більше частоти досліджуваних коливань.

Розроблена та теоретично обґрунтована математична модель процесу формування навантажень у дворушійному механізмі переміщення та опорно-напрямних пристроях очисного комбайна, що комплексно враховує особливості конструкції комбайна УКД300, а саме: зміщений щодо опор убік вибою центр мас машини, наявність двох незалежних частотно-регульованих приводів механізму переміщення, формування у цівкових зачепленнях приводних зірок зусиль, що виштовхують і затягують, наявність зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок, можливість відриву завальної сторони рештачного ставу від ґрунту пласта.

Математична модель структурно складається із трьох груп рівнянь. У першу групу ввійшли рівняння, що встановлюють зв'язок між навантаженнями обох приводів:

(3)

де - тягове зусилля i-го рушія (i =1,2);

S_i - ковзання i-го електродвигуна (i =1,2);

М_крит, S_к - відповідно, критичний момент і критичне ковзання при номінальній частоті живлення f_н = 50 Гц;

u, з - відповідно, передатне відношення та к. к. д. редуктора;

f_с - частота перетворювача, Гц; н = f_с / f_н;

г - параметр, що характеризує закон регулювання напруги живлення U=U_н н ^г. Стосовно до привода механізму переміщення при f_с < f_н у першому наближенні можна приймати г=1, а при f_с>f_н - г=0;

ц_кi - кут повороту колеса i-го рушія (i =1,2);

r_кi(ц_кi), r_сi(ц_кi) - відповідно, наведені кінематичний і силовий радіуси i-го рушія (i =1,2):

 (4)

де r_кср, r_сср - середні значення, відповідно, наведених кінематичного і силового радіусів;

a_кk, b_кk, a_ck, b_ck - коефіцієнти розкладу в ряд Фур'є;

z_к - кількість зубів приводного колеса;

n_г - кількість гармонік, що враховують при розкладі в ряд Фур'є.

При цьому ц_к2=ц_к1+Дц, де Дц - зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок.

У другу групу ввійшли шість рівнянь статики (5), що описують рівновагу корпуса машини під впливом зовнішніх зусиль, і одне додаткове рівняння (6) для розв'язання статичної невизначеності чотириопорної системи комбайна, що випливає з умови незмінності розташування в одній площині обраних точок на поверхнях опорних лиж комбайна, що ковзають:

(5)

(6)

де R_j, T_j - опорні реакції в j-ій опорі (j =1,2,3,4);

F_x, F_y, F_z, M_x, M_y, M_z - відповідні сумарні проекції зусиль різання, навантаження та сили тяжіння комбайна, а також сумарні моменти цих сил;

- відповідні координати j-ої опори;

- координати точок дотику складових опорних реакцій відповідно Т₁ і Т₂;

- координати точок дотику сил тертя, що формуються на поверхнях лиж відповідно 1-ої і 2-ої опори, що ковзають;

f - коефіцієнт тертя на поверхнях контакту опорно-напрямних пристроїв комбайна з рештачним ставом і цівковою рейкою;

ц₁, ц₂ - кути тиску в i-ому рушії (i =1,2).

У третю групу ввійшли рівняння, що визначають поточні значення координат забійних і завальних опор.

Таким чином, математична модель дозволяє визначити 14 невідомих величин: R₁, R₂, R₃, R₄, Т₁, Т₂, Q_T1, Q_T2, z₀₁, z₀₂, z₀₃, z₀₄, S₁, S₂. Для їх визначення була вирішена чисельним методом система нелінійних алгебраїчних рівнянь, що включає 14 рівнянь. На підставі математичної моделі створений алгоритм моделювання робочого процесу дворушійного механізму переміщення та опорно-напрямних пристроїв комбайна УКД300 і розроблений програмний пакет, що дозволяє проводити моделюючі експерименти з варіацією численних параметрів моделі.

Розроблена математична модель в основному адекватна реальній системі дворушійного механізму переміщення та опорно-напрямних пристроїв очисного комбайна УКД300 і може бути використана для моделювання робочого процесу комбайна з метою встановлення закономірностей формування навантажень у дворушійному механізмі переміщення. Погрішність результатів моделювання в порівнянні з експериментальними даними не перевищує 20%. Як приклад, на рис. 4 наведені графіки зміни крутних моментів, отримані в натурному (а) і обчислювальному (б) експериментах.

У четвертому розділі «Моделювання робочих процесів механізму переміщення очисного комбайна УКД300» оцінений вплив різних конструктивних і режимних факторів на формування силових і кінематичних параметрів механізму переміщення.

Як критерій оцінки нерівномірності розподілу навантаження використовуємо параметр, іменований надалі неузгодженістю крутних моментів у приводах:

, (7)

де М_крп і М_крл - миттєві значення крутних моментів у приводах механізму переміщення.

Як показали результати досліджень, величина зрушення фази Дц між початком зачеплення зубів приводних зірок комбайна УКД300 є визначальним параметром при формуванні амплітуд коливань крутного моменту, а також ступеня нерівномірності розподілу навантаження між приводами. Амплітуди коливань крутних моментів при Дц=0° однакові і практично не змінюються в часі. При збільшенні Дц ростуть амплітуди крутних моментів і нерівномірність розподілу навантаження між приводами (див. рис. 5). Неузгодженість крутних моментів у приводах досягає свого максимуму при Дц=20…30° (період зачеплення зуба зірки із цівкою відповідає куту поворота колеса на 51,4є).

Величина зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок не істотно впливає на коливання швидкості переміщення машини. Збільшення середньої швидкості переміщення комбайна приводить до значного росту амплітуд крутних моментів і нерівномірності розподілу навантаження між приводами, а також росту амплітуд коливання швидкості переміщення.

У п'ятому розділі «Вплив нерівномірності розподілу навантаження в механізмі переміщення на показники розрахункового ресурсу і теоретичної продуктивності очисного комбайна УКД300» дана оцінка впливу нерівномірного розподілу навантаження на різні показники технічного рівня очисного комбайна.

На основі імовірнісного методу розрахунку деталей на втомну довговічність побудовані функції розподілу довговічності вихідного вала редуктора механізму переміщення (як найбільш навантаженого) при наявності (Дц=9°) і відсутності (Дц=0°) зрушення фази Дц.

У якості блока навантаження були використані осцилограми крутного моменту, отримані на підставі експериментальних даних і за допомогою розробленої математичної моделі робочого процесу дворушійного механізму переміщення очисного комбайна. Як видно з рис. 6, графіки функції розподілу довговічності (P - імовірність появи втомної тріщини, %; L - наробіток до появи втомної тріщини, год), отримані на підставі двох видів осцилограм, добре узгоджуються між собою. Розходження в результатах не перевищує 15%, як при визначенні медіанного наробітку до появи втомної тріщини, так і при визначенні 80-процентного ресурсу. Таким чином, для одержання функції розподілу довговічності при відсутності зрушення фази (Дц=0°) коректно використовувати осцилограму крутного моменту, отриману на основі математичної моделі робочого процесу дворушійного механізму переміщення очисного комбайна УКД300.

Функція розподілу довговічності, отримана на основі модельних досліджень при відсутності зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок (Дц=0°), представлена на рис. 6. Зменшення коливань навантаження в приводі дворушійного механізму переміщення очисного комбайна УКД300 за рахунок усунення зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок, підвищує розрахунковий ресурс редуктора в 2,8 - 3 рази.

Як показує досвід експлуатації комбайна УКД300, одним з факторів, що обмежують його продуктивність, є спрацьовування струмового захисту від пуску, що не відбувся, і перекиду двигунів механізму переміщення. Цей захист спрацьовує при досягненні силою струму значення, що перевищує номінальний струм двигуна в 1,5 рази (1,5I_ном). Таке значення сили струму для настроювання захисту прийнято, виходячи з досвіду експлуатації очисних комбайнів різного типу, узагальненого конструкторами ДП «Дондіпровуглемаш» і ЗАТ «Горлівський машинобудівник». Для оцінки максимально можливої швидкості переміщення комбайна введене поняття максимально припустимого крутного моменту на валу електродвигуна М_кр.доп, значення якого відповідає силі струму 1,5I_ном.

У відповідності протоколу випробувань електродвигунів ЭКВ4-30-6-02, які застосовуються у приводі механізму переміщення комбайна УКД300, максимально припустиме значення крутного моменту на валу двигуна М_кр.доп при швидкості переміщення 8,4 м/хв (частота перетворювача 50 Гц) становить 403 Нм, що відповідає значенню сили струму 36,3 А (1,5I_ном).

На основі аналізу технічних характеристик електродвигунів ЭКВ4-30-6-02 та ЭКВ4-45-6, а також результатів моделювання на ЕОМ їх роботи, встановлено, що М_кр.доп для двигуна ЭКВ4-30-6-02 при частотах перетворювача 25-50 Гц буде змінюватися в межах 377-403 Нм.

Для оцінки впливу нерівномірності розподілу навантаження в механізмі переміщення очисного комбайна УКД300 на його теоретичну продуктивність були проведені модельні дослідження режимів роботи машини в представницьких умовах експлуатації при наявності (Дц=9°) і відсутності (Дц=0°) зрушення фази Дц (див. табл. 1).

Таблиця 1. Результати розрахунку теоретичної продуктивності очисного комбайна УКД300 для різних гірничо-геологічних умов при Дц=9° і Дц=0°

	ш. Павлоградська	ш. ім. М. І. Сташкова	ш. ім. О.Г. Стаханова
	Дц=9°	Дц=0°	Дц=9°	Дц=0°	Дц=9°	Дц=0°
Максимально можлива швидкість переміщення, м/хв	6,7	7,6	6,8	8,4	7,0	8,4
Максимальний крутний момент на валу двигуна, Нм	469	467	470	470	470	465
Максимально припустимий крутний момент на валу електродвигуна Мкр.доп, Нм	470	472	471	473	472	473
Теоретична продуктивність комбайна, т/хв	7,88	8,94	7,0	8,64	8,44	10,1

Аналіз результатів моделювання показав, що зменшення коливань навантаження в приводі дворушійного механізму переміщення очисного комбайна УКД300 за рахунок усунення зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок підвищує теоретичну продуктивність очисного комбайна на 13 - 23% залежно від конкретних гірничо-геологічних умов.

Висновки

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в обґрунтуванні параметрів триелементних рушіїв дворушійних механізмів переміщення із частотно-регульованим приводом очисних комбайнів для виїмки тонких пластів, що забезпечує підвищення продуктивності і ресурсу цих машин.

Основні висновки, наукові та практичні результати, отримані автором у дисертаційній роботі, полягають у наступному:

1. У частотно-регульованих приводах дворушійного механізму переміщення очисного комбайна формуються незбіжні між собою по фазі коливання навантаження з періодом, рівним періоду зачеплення зуба зірки, і з амплітудою, що залежить від величини зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок із цівковою рейкою, середньої швидкості переміщення та номінального ковзання електродвигунів. Зазначені коливання обумовлені дією наступних факторів:

- недосконалістю зубчатих зачеплень триелементного цівково-рейкового рушія, яке погіршується зі зношуванням елементів рушія;

- наявністю зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок;

- зміною міжцентрової відстані в цівковому зачепленні зірки з рейкою та кроку зачеплення на стиках рейок;

- розкидом і значною жорсткістю механічних характеристик електродвигунів;

- відсутністю в конструкції механізму переміщення спеціальних засобів, що забезпечують вирівнювання навантаження між приводами.

2. У результаті проведення експериментальних досліджень комбайна УКД300 встановлена працездатність розроблених ДонНТУ, за особистою участю автора, оригінальних тензометричних вимірювальних пристроїв, що дозволили одержати осцилограми навантажень у механізмі переміщення та опорно-напрямних пристроях комбайна. Була підтверджена можливість імітації режимів навантаження опорно-напрямної системи та механізму переміщення комбайна за допомогою другого комбайна, механізм переміщення якого працює в гальмовому режимі, і додаткових вантажів, встановлених замість виконавчих органів.

При проведенні стендових випробувань були реалізовані режими навантаження механізму переміщення, що відповідають роботі комбайна з номінальним навантаженням привода різання на пластах з кутом падіння до 15° при швидкостях переміщення до 8,4 м/хв (частота перетворювача 50 Гц).

Експериментально встановлена величина зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок комбайна УКД300, що становить 7-14° кута повороту приводного колеса, тобто 15 - 28% тривалості циклу зачеплення одного зуба приводної зірки.

3. Розроблена математична модель робочого процесу механізму переміщення та опорно-напрямної системи комбайна УКД300 уперше враховує взаємодію двох частотно-регульованих приводів механізму переміщення, вплив на їх навантаженість кінематичних і силових параметрів двох систем «колесо-зірка-рейка», що змінюються (у загальному випадку несинфазно) у процесі зачеплення зубів приводних зірок.

Математична модель в основному адекватна реальній системі, погрішність у визначенні навантажень у дворушійному механізмі переміщення та опорно-напрямних пристроях очисного комбайна УКД300 не перевищує 20%.

4. Уперше встановлені закономірності, що характеризують співвідношення між миттєвими значеннями крутного моменту на вихідному валу редуктора і тягового зусилля, а також швидкості переміщення і кутової частоти обертання вихідного вала редуктора в триелементному рушії механізму переміщення. Зазначені співвідношення запропоновано характеризувати наведеними силовим і кінематичним радіусами, які в процесі зачеплення змінюються в широких межах (для комбайна УКД300 від 102 до 128 мм при незношених профілях) і є періодичними функціями кута повороту приводного колеса. На процес формування та характер зміни цих параметрів значно впливає зміна міжцентрової відстані в зачепленні зірка-рейка, а також ступінь зношування контактуючих поверхонь елементів рушія. При цьому зміна контактуючих пар у системі «колесо-зірка-рейка» супроводжується різкою стрибкоподібною зміною значень силових і кінематичних параметрів.

5. З використанням розробленої математичної моделі та відповідного програмного забезпечення проведений комплекс обчислювальних експериментів, у яких досліджено вплив основних параметрів механізму переміщення на формування навантажень у його елементах. Основним фактором, що визначає амплітуди коливань навантажень у приводах механізму переміщення і ступінь нерівномірності їхнього розподілу, є зрушення фази між початком зачеплення зубів приводних зірок. При синфазному зачепленні навантаження в приводах однакові і амплітуди їх коливань незначні.

Зі збільшенням середньої швидкості переміщення амплітуди коливань навантаження в приводах і ступінь нерівномірності їх розподілу істотно зростають (величина неузгодженості крутних моментів становить 15 Нм при швидкості переміщення 2 м/хв та 550 Нм при швидкості 8 м/хв).

Підвищення номінального ковзання електродвигунів за інших рівних умов приводить до істотного зниження амплітуд коливань крутних моментів і ступеня нерівномірності їх розподілу. Різниця номінальних ковзань обох двигунів, що виникає при їх безвибірковій комплектації, не робить істотного впливу на формування навантажень у приводах.

6. Виявлені в роботі причини та основні закономірності нерівномірного розподілу навантажень між приводами дворушійного механізму переміщення дозволяють сформулювати основні рекомендації, спрямовані на усунення коливань навантаження в механізмі переміщення та підвищення технічного рівня комбайнів для виїмки тонких пластів:

- міжцентрову відстань між осями приводних зірок варто приймати кратну кроку зачеплення з метою забезпечення їх синфазного зачеплення, при цьому приводні зірки механізму переміщення необхідно розташовувати максимально близько одну до одної;

- для зменшення кількості стиків між рейками довжину цівкової рейки варто максимально можливо збільшувати;

- у конструкції механізму переміщення слід використовувати двоелементні рушії, сполучені із забійними опорами, що дозволяє значно знизити ступінь нерівномірності наведених силових і кінематичних параметрів рушіїв.

Ці рекомендації враховано конструкторами ДП «Дондіпровуглемаш» при розробці нового очисного комбайна УКД400, призначеного для відпрацьовування тонких пластів.

7. Уперше встановлене, що підвищення теоретичної продуктивності (на 13-23%) очисного комбайна для виїмки тонких пластів і розрахункового ресурсу (в 2,8-3,0 рази) редуктора механізму переміщення забезпечується зниженням амплітуд коливань навантаження в приводах механізму переміщення із частотно-регульованими електродвигунами, що досягається за рахунок забезпечення синфазного зачеплення зубів обох приводних зірок.

Результати роботи можуть бути використані проектними та науково-дослідними організаціями, машинобудівними заводами при створенні і модернізації очисних комбайнів, оснащених дворушійним частотно-регульованим механізмом переміщення.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кондрахин В.П. Распределение нагрузок между движителями механизма подачи очистного комбайна / В.П. Кондрахин, Н.И. Стадник, А.В. Косарев // Наукові праці ДонНТУ, Серія: «Гірничо-електромеханічна»: Зб. наук. праць. Випуск 83, - Донецьк: ДонНТУ, 2004. - С. 150-155.

2. Кондрахин В.П. Математическая модель для определения нагрузок в опорно-направляющих устройствах и механизме перемещения очистного комбайна типа УКД300 / В.П. Кондрахин, Н.М. Лысенко, А.В. Косарев, В.В. Косарев, Н.И. Стадник // Наукові праці ДонНТУ, Серія: «Гірничо-електромеханічна»: Зб. наук. праць. Випуск 99, - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - С. 111-120.

3. Кондрахин В.П. Влияние устойчивости очистного комбайна со смещенным в забой корпусом на максимально возможную скорость перемещения машины / В.П. Кондрахин, Н.И. Стадник, Н.М. Лысенко, А.В. Косарев // Вісник криворізького технічного університету: Зб. наук. праць. Випуск 8, - Кривий Ріг, 2005. - С. 95-99.

4. Кондрахин В.П. Анализ динамических процессов в редукторах привода механизма перемещения очистного комбайна УКД300 / В.П. Кондрахин, Н.М. Лысенко, А.В. Косарев, В.В. Косарев, Н.И. Стадник // Наукові праці ДонНТУ, Серія: «Гірничо-електромеханічна»: Зб. наук. праць. Випуск 101, - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - С. 50-57.

5. Кондрахин В.П. Кинематические и силовые параметры цевочно-реечных движителей очистных комбайнов / В.П. Кондрахин, Н.М. Лысенко, А.В. Косарев, В.В. Косарев, Н.И. Стадник // Наукові праці ДонНТУ, Серія: «Гірничо-електромеханічна»: Зб. наук. праць. Випуск 104, - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - С. 83-90.

6. Кондрахин В.П. Моделирование нагрузок в двухдвижительном механизме перемещения очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом / В.П. Кондрахин, Н.М. Лысенко, А.В. Косарев, В.В. Косарев, Н.И. Стадник // Наукові праці ДонНТУ, Серія: «Гірничо-електромеханічна»: Зб. наук. праць. Випуск 113, - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - С. 139-145.

7. Косарев В.В. Комплексные экспериментальные исследования механизма перемещения очистного комбайна УКД300 / В.В. Косарев, Н.И. Стадник, А.В. Сергеев, В.П. Кондрахин, Н.М. Лысенко, А.В. Косарев // Горное оборудование и электромеханика. - 2007. - №3. - С. 2-6.

8. Кондрахин В.П. Исследование кинематических и силовых параметров цевочно-реечных движителей очистных комбайнов методом трехмерного моделирования / В.П. Кондрахин, А.В. Косарев, В.В. Косарев, Н.И. Стадник // Наукові праці ДонНТУ, Серія: «Гірничо-електромеханічна»: Зб. наук. праць. Випуск 123, - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2007. - С. 74-83.

9. Гуляев В.Г. Вероятностная оценка ресурса валов механизма перемещения очистного комбайна УКД300 / В.Г. Гуляев, В.П. Кондрахин, А.В. Косарев, Н.И. Стадник // Наукові праці ДонНТУ, Серія: «Гірничо-електромеханічна»: Зб. наук. праць. Випуск 127, - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2007. - С. 93-100.

Размещено на Allbest.ru

...