Серед різних видів підземного транспорту в магістральних горизонтальних виробках основним є локомотивний транспорт, за допомогою якого на вугільних шахтах здійснюється близько 90% від загального обсягу перевезень, а на підземних рудниках - майже весь обсяг. Завдяки своїй універсальності, високій надійності (за рахунок простого резервування) та економічності (при значних відстанях) він й надалі відіграватиме домінуючу роль.

Питання розв'язку задач розрахунку сил взаємодії складу і шляху магістральних локомотивів вивчали такі відомі вчені, як Є.П. Блохін, М.Ф. Вериго, Ю.В. Дьомін, М.Л. Коротенко, С.М. Куценко, В.А. Лазарян, В.Б. Медель, Ю.С. Ромен, В.Ф. Ушкалов. Подібні дослідження стосовно до екіпажів промислового рухомого состава знайшли відображення у працях С.Є. Блохіна, В.О. Браташа, А.Л. Голубенка, Й.В. Дановича, В.П. Єсаулова, В.М. Кашникова, М.О. Радченка, С.Ф. Редька, О.В. Сладковського.

Шахтний локомотивний транспорт, маючи багато спільного в теорії тягових розрахунків з іншими видами транспорту (міським, промисловим та магістральним), докорінно відрізняється від них технологічними схемами, технічними засобами й основними параметрами у зв'язку з особливими умовами роботи (специфічний стан рейкового шляху, обумовлений гірським тиском, забрудненням і обводненням, радіуси кривизни 5-15 м, ухили в межах 100 і знакозмінний профіль шляху, жорсткі габаритні обмеження), що вимагають іншого підходу до розрахунку, проектування та встановлення його оптимальних параметрів.

Засновник рудникової електровозної тяги Ф.М. Шклярський обгрунтував для розрахунку метод постійних прискорень, описав конструкції електровозів, електричних схем, тягових підстанцій і акумуляторів. Подальший розвиток рудникової електровозної тяги відбито в працях С.А. Волотковського, Б.О. Кузнецова, В.В. Мішина, Є.Є. Новикова, М.С. Полякова, О.О. Ренгевича, А.О. Співаковського, П.С. Шахтаря.

Багато які питання теорії, проектування, експлуатації та оптимізації шахтного локомотивного транспорту висвітлені в працях Я.Б. Кальницького, К.К. Кузнецова, М.О. Малевича, В.О. Пономаренка, А.В. Рысьєва, Г.І. Солода, М.Т. Карелина, З.М. Лейтеса, Й.Й. Лівшиця, С.І. Лопатіна, Г.Я. Паланта, В.Г. Шоріна.

В опублікованих раніше роботах з шахтного локомотивного транспорту досліджуються окремі його ланки із дуже обмеженою кількістю та діапазоном зміни варійованих параметрів, впливових чинників і взаємозв'язків між ними. В усіх відомих роботах параметри електровозів визначаються без прямого узгодження їх тягових і гальмових засобів і стійкості руху, що має місце в практиці проектування таких машин. У працях Б.О. Кузнецова розглядаються задачі по знаходженню зусиль, які діють на локомотиви в кривій, вирішені задачі визначення сил, що діють на колеса локомотива, та коефіцієнтів запасу стійкості при вході в криву. О.О. Ренгевич і П.С. Шахтарь дослідили динаміку приводу і ходової частини шахтних локомотивів.

Сьогодні весь парк шахтних і рудникових локомотивів, що серійно випускаються в країні, має рамну конструкцію й обладнаний підвіскою ходової частини з щелепними направляючими. При зовнішній простоті конструкції вона має недоліки, що знижують загальний технічний рівень машини. Зокрема, монтажні перекоси щелеп однієї колісної пари призводять до обмеженої рухливості букс і заклиненню, потім у процесі експлуатації по мірі спрацювання поверхонь, що труться, зазори можуть значно збільшуватися, змінюючи розміщення колісних пар на рейках. Тому дослідження, спрямовані на визначення раціональних параметрів і модернізацію ходової частини шахтних локомотивів, вивчення динамічної роботи елементів колії, сприятимуть скороченню витрат на ремонтні заходи, підвищенню безпеки руху, збільшенню тягово-гальмових характеристик і швидкості руху, що в остаточному результаті визначає можливість зростання продуктивності гірничовидобувних підприємств.

У зв'язку з цим вирішення згаданих задач для народного господарства є досить актуальним. Без розв'язання цієї проблеми бачаться неможливими розробка загальних методів визначення раціональних параметрів ходової частини шахтних локомотивів, обгрунтування вимог на проектування нових перспективних шахтних локомотивів та модернізацію нинішніх з урахуванням специфічних умов експлуатації.

Ефективність роботи шахтних локомотивів

До основних параметрів шахтних локомотивів відносять зчіпну масу, силу тяги, швидкість руху та коефіцієнт тяги, який не можна вважати незалежним. Зчіпна маса регламентована типажним рядом, а сила тяги і швидкість визначаються характеристикою двигуна, зчіпною масою та коефіцієнтом тяги. При обмеженнях, що накладаються на габарити, жорстку базу електровоза, типовими електродвигунами і конструктивними рішеннями ходової частини та компонування приводу істотно обмежена сфера пошуку оптимальних параметрів шахтних локомотивів. Тому існуючий на практиці розрахунок зводиться до вибору маси состава по зчепленню, гальмуванню, перевірці його щодо нагрівання двигунів для заздалегідь обраного типу локомотива. Більш широкі можливості пошуку раціональних параметрів локомотива мають його секційна і модульна побудови, застосування ходової частини і компонування приводу, що забезпечують рівномірний розподіл маси по колісних парах, візках, виконання коліс складеними і футерованими полімерами.

Спираючись на викладене, можна сформулювати мету роботи: дослідження динаміки шахтних локомотивів і їх вплив на елементи колії, оцінка впливу технічних рішень (конструкція ходової частини, футеровка коліс, секційне та візкове компонування) на підвищення тягово-гальмових характеристик, стійкості руху і зниження енерговитрат, розробка методики визначення раціональних компонувальних рішень і значень пружно-дисипативних параметрів ходової частини шахтних локомотивів на стадії проектування.

У цілому дисертація являє собою розробку моделі просторових коливань шахтних локомотивів на основі узагальнення аналітичних і числових методів розрахунку, експериментальних досліджень динамічних сил і переміщень, що виникають під час руху шахтних локомотивів колією довільного контура (з урахуванням її нерівностей у плані та профілі), і присвячена вирішенню важливої народногосподарської проблеми істотного підвищення стійкості, тягово-гальмових характеристик і безпеки руху рухомого состава, скорочення експлуатаційних витрат і загалом збільшення продуктивності гірничовидобувних підприємств за рахунок застосування нових компонувальних рішень, удосконалення ходової частини шахтних локомотивів і вписування рухомого состава у криві малого радіуса.

Постановка задачі оптимізації параметрів системи підвішування шахтних локомотивів

Використання методів оптимізації дає можливість від традиційної задачі аналізу динаміки спроектованої системи перейти до задачі синтезу конструкції. Загальні питання проектування оптимальних систем відображені в роботах Д.І. Батіщева, І.М. Соболя, Р.Б. Статникова, Л.А. Растригіна. Оптимізації параметрів залізничного транспорту присвячені праці В.А. Лазаряна, М.Л. Коротенка, Т.А. Тібілова, гірничотранспортних машин та устаткування - О.В. Докукіна, О.І. Волошина, А.К. Семенченка. Отримані при вирішенні результати можуть служити базою для розробки методів оптимізації ходової частини по критеріях якості, що ґрунтуються на силових взаємодіях колеса на колію.

При формуванні цільових функцій для оптимізації параметрів ходової частини за основу візьмемо динамічні показники, а за функціональні обмеження - максимальні амплітуди коливань, що визначають вихід за габарит, коефіцієнт запасу стійкості при всповзанні колеса на рейку, відносні переміщення характерних елементів ходової частини в усьому діапазоні швидкостей руху. До числа обмежень входять і основні обмеження на діапазони параметрів, що оптимізуються.

Як обмеження використовуємо наступні співвідношення:

коефіцієнт запасу стійкості;

конструктивні параметри пружнодемпфіруючих елементів системи підвішування;

максимальні значення узагальнених координат;

мінімальне значення коефіцієнта опору.

При мінімізації функціонала (1) при заданих обмеженнях забезпечуються максимальні тягово-гальмові характеристики шахтного локомотива при стійкому русі по рейковій колії із заданими параметрами збурень та мінімальних енерговитратах.

Визначення впливу проміжного середовища і футеровки коліс

на зчеплення коліс з рейками та опір руху

Шахтна рейкова колія, крім геометричних недосконалостей і малої жорсткості основи, має значні забруднення дрібнодисперсним шаром вміщуючих порід, часток спрацювання гальмівних колодок і коліс, грунтових вод. Розглядався найбільш характерний випадок, коли коефіцієнт зчеплення і сили опору кочення приймають середні значення і коли найбільш достовірною буде в'язкопластична модель проміжного середовища, що описується рівнянням Шведова-Бінгама і характеризується кінематичною в'язкістю та граничним напруженням зсуву. Проаналізуємо кочення колеса з радіусами кривизни Rк1 і Rк2 по голівці рейки радіусом Rр.

При великих швидкостях руху локомотива збільшення показників пластичної в'язкості проміжного середовища призводить до більш істотного зменшення коефіцієнта зчеплення. Значний спад фактичного коефіцієнта зчеплення спостерігається також для рейки Р33 при радіусі кривизни колеса Rк1=0,4 м або спрацюванні бандажа більш =8 мм, а для рейки Р24 при радіусі кривизни колеса Rк1=0,6 м чи спрацюванні =6 мм за рахунок збільшення ширини клиноподібного каналу в зоні контакту.

При зміні навантаження на колесо локомотива, що рухається по рейці з проміжним середовищем, несуча здатність в'язкопластичного середовища може зменшити коефіцієнт зчеплення до величини внутрішнього тертя середовища, при цьому колесо буде перебувати в режимі гідропланування. Для шахтного локомотива при вугільному пилу на рейці мінімальне навантаження на колесо може скласти 10 кН, а при рудному - 8 кН при швидкості 4 м/с.

Для підвищення коефіцієнта зчеплення колеса шахтних локомотивів футерують полімерними матеріалами. Розрахункова схема кочення футерованого колеса, на якій враховане припущення про структуру футеровки як набору в'язкопружних елементів, для яких істотною є радіальна складова деформації. Дія крутного моменту, прикладеного до колеса, і сил тертя по площадці контакту зміщує максимум питомого тиску Р() відносно середини площадки.

Для в'язкопружного матеріалу процес деформування супроводжується явищем релаксації, тому для розподілу тиску у футеровці його достатньо повно можна описати інтегральним рівнянням Больцмана-Вольтерра:

Отримані залежності швидкості руху від навантаження на колесо, при якій коефіцієнт опору коченню має максимальне значення для футеровки різної товщини шару. Подана залежність демонструє особливості в'язкопружного контакту кочення та істотно нелінійна для навантажень на колесо менше 10 кН, при навантаженнях на колесо в діапазоні 20-40 кН має місце майже лінійна зміна критичної швидкості.

Релаксаційні ефекти важливі, коли час проходження області контакту дорівнює часу релаксації (швидкість локомотива 0,1-0,7 м/с). За цих умов площадка контакту стає асиметричною і реалізується максимум моменту опору. Наведене рішення визначає оптимальні значення параметрів навантаження на колесо (рис.5) та швидкості руху локомотива з футерованними колесами із мінімальними енергетичними втратами на опір руху.

Розробка моделі просторових коливань шахтних локомотивів рамного та модульно-візкового компонування

Шахтні локомотиви рамного компонування являють собою механічну систему, що складається з таких основних елементів: кузова та двох колісно-моторних блоків. Колісно-моторні блоки мають ряд особливостей: опорно-осьове підвішування; буксові вузли з поздовжнім та поперечним зазорами між рамою локомотива і віссю колеса; несиметричність щодо осі , яка обумовлена тим, що двигуни містяться по один бік від колісних пар.

З метою істотного поліпшення тягово-гальмових характеристик у Національній гірничій академії України розроблений шахтний локомотив модульно-візкового компонування Е10. Система буксового підвішування електровоза Е10 містить двоплечні поводки, встановлені на рамі секції за допомогою гумометалевих шарнірів. Для з'єднання центральної платформи з тяговими секціями на рамі центральної платформи застосовані сферичні опори та підп'ятники, сполучені з рамами тягових секцій.

Рейкова колія передбачається пружно-в'язкою інерційною у вертикальному і горизонтальному поперечному напрямках. Тому враховуються відтиснення рейкових ниток, а також швидкості цих переміщень у точках контакту коліс з рейками.

При переміщенні коліс щодо рейок у поперечному напрямку змінюється радіус кола котіння колеса:

Зміну радіусів кіл котіння коліс можна описати таким чином:

де позначена конічність поверхні котіння бандажа на лінійній ділянці, а - половина зазора між гребенями коліс та внутрішньою гранню голівок рейок.

Розподілені параметри рейок зосереджені в точках торкання з колесами. Реакції рейок викликані нелінійністю поверхні котіння колеса, а також тим, що при коливаннях колісних пар у горизонтальній площині виникають пружні відтиснення рейкових ниток. Позначимо реакції рейок, обумовлені пружними відтисненнями, через.

Для складання рівнянь, що описують механічну систему, використані рівняння Лагранжа другого роду. Потенційна енергія пружних елементів системи визначалася за теоремою Клайперона. Кінетична енергія системи, що є сумою кінетичної енергії екіпажа та колії, знайдена за теоремою Кеніга. Функцію дисипації визначали з використанням гіпотези Фойгта. Аналізована механічна система шахтного локомотива рамного компонування з урахуванням рівнянь зв'язку описується 22 узагальненими координатами, а модульно-візкового компонування - 50 координатами.

Інтегрування системи диференціальних рівнянь виконували за допомогою пакета прикладних програм ”Математика 3.0”. Параметри, що визначаються в процесі розв'язку, характеризують стійкість і динамічні характеристики взаємодії коліс з рейками: кc - коефіцієнт запасу стійкості колеса проти всповзання гребеня на рейку; кх, кy, кz, кbх, кby, кbz - коефіцієнти динамічності взаємодії колеса та рейки, буксового вузла в поперечному і вертикальному напрямках.

Результати розв'язків при обраних параметрах збурень задовільно узгоджуються з експериментальними даними.

Установлено вплив величини зазорів у щелепних направляючих буксових вузлів на динамічні характеристики й стійкість шахтного локомотива під час руху на прямолінійних і криволінійних ділянках рейкової колії з недосконалостями. Зазори в щелепних направляючих понад 0,01 м істотно збільшують коефіцієнти горизонтальної та вертикальної динаміки при швидкості руху більше 3 м/с. Коефіцієнти запасу стійкості від всповзання колеса на рейку істотно вище на криволінійних ділянках при наявності зазорів у щелепних направляючих понад 0,02 м.

Для оцінки адекватності поведінки математичної моделі системи підвішування шахтного локомотива модульно-візкового компонування шахтному локомотиву Е10 були зроблені розрахунки з реальними збуреннями рейкової колії у вигляді геометричних горизонтальних і вертикальних нерівностей. Параметри ходової частини геометричні і вагові характеристики шахтного локомотива Е10 взяті з техдокументації, жорсткісні і демпфірувальні параметри системи підвішування визначалися таріровкой.

Нижче подані параметри просторових коливань шахтного локомотива модульно-візкового компонування і їх зіставлення з експериментальними даними. Розглянуто рух шахтного локомотива Е10 прямолінійними та криволінійними ділянками колії.

Коефіціенти динамічності шахтного локомотива модульно-візкового компонування з футерованими колесами нижче за коефіціенти динамічності зі сталевими, особливо на швидкості руху 4-6 м/с. Значне зниження коефіцієнтів запасу стійкості на малих радіусах кривизни рейкової колії обумовлено жорсткістью вузла з'єднання центральної платформи з тяговими секціями.

Розробка узагальненої розрахункової схеми системи підвішування

Для вивчення динамічних характеристик шахтних локомотивів - стійкості руху, реалізації тягового зусилля, які залежать від типу, конструктивного виконання та параметрів систем підвішування ходової частини, необхідно розробити узагальнену розрахункову схему системи підвішування.

Габаритні обмеження на висоту рами шахтних локомотивів не дають змоги застосовувати багатоступінчасту систему підвішування, поширену на промислових і магістральних локомотивах. При проектуванні шахтних локомотивів вибір параметрів системи підвішування з урахуванням конструктивного виконання та динамічних характеристик становить певні труднощі без використання узагальненої моделі для всіх типів систем підвішування. Найбільш поширені на шахтних локомотивах - індивідуальна, балансирна та коромислова системи підвішування. Всі відомі системи підвішування шахтних локомотивів можна подати однією розрахунковою схемою. Основна відмінність систем підвішування полягає в різних значеннях пружно-дисипативних елементів зв'язку між балансиром та кузовом і описує чотири варіанти: індивідуальну і поздовжньо балансирну підвіску зі стабілізатором; коромислову з зовнішнім розташуванням пружин; коромислову з внутрішнім розташуванням пружин і поздовжньо балансирну підвіску без стабілізаторів.

Узагальнена розрахункова схема системи підвішування шахтного локомотива наведена на рис. 12, та являє собою систему з кузова і двох колісно-моторних блоків із приведеною масою колії, сполучених між собою безінерційними пружно-дисипативними зв'язками. Ввівши пружне кріплення колісних пар, змінюючи значення пружно-дисипативних елементів і обмеження на переміщення колісних пар, можна описувати поведінку локомотивів із щелепним і повідковим кріпленням буксових вузлів.

При апробації математичної моделі для порівняльного аналізу використовували результати експериментальних досліджень шахтного локомотива рамного компонування ЕШК-10 із важільно-балансирною системою підвішування, проведених у межах дослідно-промислових випробувань у підземних умовах шахти “Тернівська” ДХК “Павлоградвугілля”.

У процесі експериментів визначали переміщення ходової частини відносно рами електровоза; вертикальні і горизонтальні сили в буксовому підвішуванні, деформації колії, силу тяги на зчіпці і сили в підвісці тягових двигунів. Вимірювальний поїзд складався з випробуваного електровоза ЕШК-10 із датчиками, серійного акумуляторного електровоза АМ8Д, вагона-площадки з реєструвальною і комутуючою апаратурою. Порівняння результатів розрахунку з даними, отриманими в ході випробувань. Коефіцієнт поперечної динаміки при швидкості руху до 3 м/с нижче в 1,3 раза в порівнянні з локомотивом із щелепними направляючими буксових вузлів. Коефіцієнти вертикальної динаміки із застосуванням пружних елементів знижені на 15% при швидкості руху до 2 м/с і збільшуються зі зростанням швидкості і жорсткості пружних елементів. Як видно з рис.14, при малих радіусах кривизни від 5 до 15 м на коефіцієнти запасу стійкості значно впливають значення поперечної жорсткості системи підвішування. Із збільшенням поперечної жорсткості буксових повідків коефіцієнти запасу стійкості знижуються до значення, що відповідає системі підвішування із щелепними направляючими.

Якщо радіус кривизни рейкової колії понад 20 м зміна поперечної жорсткості системи підвішування істотно впливає при швидкостях руху більше 3 м/с, і дозволяє підвищити коефіцієнти запасу стійкості на 25-30% порівняно з щелепними направляючими.

Вирішення задачі оптимізації параметрів пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування ходової частини шахтних локомотивів

Тоді задача оптимізації параметрів системи підвішування зводиться до знаходження елементів матриць В і С, що доставляють мінімум функціоналу на траєкторіях системи при наявності обмежень на параметри і траєкторії.

Мінімізацію здійснюємо методом зважених нев'язок на відрізку. Тоді мінімізація функції зводиться до послідовного розв'язку системи лінійних рівнянь відносно вектора.

Оптимізація параметрів шахтного локомотива рамного компонування

Результати процесу оптимізації параметрів пружно-дисипативних елементів системи підвішування шахтного локомотива. При швидкостях руху понад 3,5 м/с і радіусах кривизни більше 20 м система підвішування повинна складатися з поздовжнього балансира із жорсткістю 25% і демпфіруванням 30% від величини вертикального підвішування. При радіусах кривизни рейкової колії менше 10 м система підвішування повинна мати поперечний балансир з жорсткістю 15% і демпфіруванням 20% від величини вертикального підвішування.

Оптимізація параметрів шахтного локомотива секційного компонування

Секційні локомотиви, що складаються з окремих тягових секцій, сполучених зчепленнями, - аналог 2АМ8Д (спарка двох електровозів АМ8Д, які випускає Дружківський машинобудівний завод).

За допомогою розробленої математичної моделі просторових коливань шахтного локомотива з узагальненою системою підвішування проаналізовано динамічні характеристики при секційному компонуванні, а також вплив їх параметрів на стійкість руху та реалізацію тягово-гальмового зусилля.

Коефіцієнти вертикальної і поперечної динаміки рис.16 при швидкості руху до 3 м/с нижче на 20-30% у порівнянні з локомотивами рамного компонування, але при збільшенні швидкості до 4 м/с зростають на 40-50%. Коефіцієнти динамічності істотно залежать від маси секції і знижуються на 60% при її зменшенні до 2 т. При малих радіусах кривизни колії від 5 до 15 м на коефіцієнти запасу стійкості значно впливає зчіпна маса секції, а при радіусі кривизни рейкової колії більш 20 м впливає менш істотно. При збільшенні зчіпної маси втричі коефіцієнти запасу стійкості знижуються в 1,4 раза. Динамічний аналіз шахтного локомотива секційного компонування дозволяє зробити висновок про застосування даного компонування при експлуатаційних швидкостях до 2,5 м/с із сталевими колесами на сухій рейковій колії.

Оптимізація параметрів шахтного локомотива модульно-візкового компонування

Завдяки оптимізації параметрів системи підвішування шахтного локомотива модульно-візкового компонування при руханні по перехідній кривій і кривій постійного радіуса рекомендовані наступні параметри і конструктивні рішення базової моделі: установка обмежувальних упорів на рамах тягових і проміжної секцій, що обмежують кут повороту проміжної секції навколо поздовжньої горизонтальної осі в межах 0,13 рад.; опирання на ковзуни проміжної секції з рамою однієї з тягових секцій; підвищення жорсткості пружних елементів у системі підвіски колісних пар, прийнявши для локомотива зі зчіпною масою 12 т коефіцієнти жорсткості горизонтально встановлених пружин рівними 5*106 Н/м; зниження моментів тертя в опорах проміжної секції на рами тягових секцій до значення рівного 200 Нм; обмеження швидкості входу в криволінійну ділянку рейкової колії до величини, що не перевищує 2,5 м/с. Залежність динамічних характеристик шахтного локомотива модульно-візкового компонування з пружно-дисипативними елементами ходової частини від швидкості руху приведені на рис.18 при різних значеннях зчіпної маси візка. Коефіцієнти вертикальної і поперечної динаміки при швидкості руху до 4 м/с нижче на 60-80% у порівнянні з локомотивами рамного компонування, при збільшенні швидкості до 6 м/с не перевищують припустимих значень.

Коефіцієнти динамічності істотно залежать від співвідношення маси візка і платформи-модуля, мінімальне значення яких досягається при масі візка 2,5-3 т. При криволінійному русі залежності коефіцієнтів запасу стійкості від радіуса кривизни колії з різними швидкостями руху. З аналізу динамічних характеристик шахтного локомотива модульно-візкового компонування з пружно-дисипативними елементами ходової частини можна зробити висновок про істотне підвищення експлуатаційних характеристик при модульно-візковому компонуванні: збільшення максимальної швидкості руху в 1,7 раза, зменшення мінімального радіуса кривизни в 1,4 раза, підвищення тягово-гальмових характеристик у 1,2 раза на сталевих колесах і в 1,6 раза на футерованих.

Висновки

У дисертаційній роботі на базі теоретичного узагальнення здійснене вирішення важливої наукової проблеми, що полягає у розробці наукових основ технічних рішень щодо підвищення тягово-гальмових характеристик та стійкості руху, зниження енерговитрат і підвищення продуктивності шахтного рейкового транспорту, розробці методики визначення раціональних компонувальних рішень та значень пружно-дисипативних параметрів ходової частини шахтних локомотивів на стадії проектування.

Основні наукові результати і рекомендації полягають в наступному:

Розроблена і досліджена нелінійна динамічна модель просторових коливань шахтних локомотивів під час руху по колії з нерівностями в плані і профілі, яка дозволила визначити основні динамічні показники та встановити зв'язок між ними. При складанні розрахункової схеми враховані конструктивні особливості шахтного локомотива і колії: несиметричне розташування тягових двигунів; наявність зазорів у буксових вузлах; нелінійність поверхні котіння коліс, пружні та інерційні властивості колії у вертикальному і горизонтальному напрямках.

При виборі параметрів ходової частини шахтного локомотива використані встановлені залежності впливу проміжного середовища на властивості фрикційного контакту колесо-рейка, що дають змогу визначити геометричні та силові параметри, які підвищують коефіцієнт зчеплення і довговічність колісних пар.

За отриманими закономірностями контактної взаємодії при вирішенні задачі нестаціонарної теплопровідності футерованого колеса визначено припустимі швидкості руху і час транспортування, параметри футеровки та навантаження, що забезпечують роботу шахтного локомотива з мінімальними енерговитратами.

Розроблена узагальнена модель системи підвішування, яка враховує різноманітності технічних рішень (системи підвішування ходової частини, футеровки коліс, секційного та візкового компонування), дозволяє провести дослідження динамічних характеристик шахтних локомотивів і знайти раціональне компонування та параметри пружно-дисипативних елементів системи підвішування для забезпечення максимальних тягово-гальмових характеристик і стійкості руху.

З використанням розробленої узагальненої моделі шахтного локомотива рамного компонування і запропонованого функціонала якості ходової частини сформульовано задачу оптимізації пружно-дисипативних параметрів зв'язків системи підвішування шахтних локомотивів. У результаті вирішення задачі оптимізації знайдені залежності оптимальних параметрів пружно-дисипативних зв'язків шахтних локомотивів від стану рейкової колії і швидкості руху, що дозволяють у реальних умовах експлуатації підвищити стійкість і динамічні характеристики шахтного локомотива, коефіцієнт запасу стійкості зріс на 35%, коефіцієнти динамічності знижені на 40%.

Знайдені параметри системи підвішування модульно-візкового локомотива забезпечують рух з високою стійкістю на криволінійних ділянках рейкової колії з малим радіусом кривизни. Застосування модульно-візкового компонування шахтних локомотивів з футерованими колесами дозволяє підвищити тягово-гальмові характеристики на 60%, знизити енерговитрати на 20%, підвищити коефіцієнт запасу стійкості в 1,6 раза, знизити коефіцієнти динамічності в 1,8 раза, а також є найбільш ефективним засобом істотного поліпшення динамічних характеристик. Використання футерованих коліс дає змогу підвищити тягово-гальмові характеристики шахтного локомотива на 60% і знизити енерговитрати на 20% при транспортуванні состава на важкому профілі колії.

Створені алгоритми та програми дозволяють виконати необхідні розрахунки за допомогою ЕОМ, визначити основні динамічні характеристики шахтних локомотивів рамного, секційного і модульно-візкового компонування. Розроблені методичні рекомендації з розрахунку динамічних характеристик шахтних локомотивів і вибору оптимальних параметрів шахтних локомотивів рамного, секційного і візкового компонувань відрізняються урахуванням зв'язаних просторових коливань під час руху по рейковій колії з реальними параметрами збурень, присутністю пружно-дисипативних зв'язків між колісно-моторними блоками і рамою локомотива, особливостями взаємодії коліс з рейками при наявності проміжного середовища та футеровки коліс.

Розроблені параметри системи підвішування включені до технічного завдання і робочої документації на електровоз модульно-візкового компонування Е10 за замовленням ДХК “Павлоградвугілля”; ВО “Луганськтепловоз” виготовлена дослідно-промислова партія шахтних локомотивів Е10, що працюють зараз на шахті “Тернівська” ДХК “Павлоградвугілля”; Дніпропетровський електровозобудівний завод використував методичні рекомендації з розрахунку динамічних характеристик шахтних локомотивів при модернізації ходової частини електровоза К10; Український електровозобудівний НДІ скористався методичними рекомендаціями щодо вибору параметрів ходової частини шахтних локомотивів модульно-візкового компонування; Марганецький ГЗК упровадив модернізовану ходову частину шахтних локомотивів 4КР і вагонеток ВПГ.

Експлуатація шахтних локомотивів Е10 на трьох підготовчих вибоях шахти Тернівська ДХК “Павлоградвугілля” дає фактичний економічний ефект 675 тис. грн на один електровоз.

Основні публікації

1. Сердюк А.А. Динамические характеристики шахтных локомотивов с рамной и тележечной компоновкой // Науковий вісник НГА України. - 1999. - № 3. - С. 65-70.

2. Сердюк А.А. Взаимодействие футерованного колеса шахтного локомотива с рельсом // Изв. вузов. Горн. журн.- 1991. - № 9. - С. 80-83.