Нагрузки в трансмиссии горных машин

Реферат Тема: Нагрузки в трансмиссии горных машин

Условия работы трансмиссий горных машин

Наиболее напряженная часть горной машины — трансмиссия. Особенно тяжелонагруженными ее деталями являются зубчатые колеса, от работоспособности которых в значительной степени зависит надежность и долговечность машины в целом, а также ее габариты и масса.

Зубчатые передачи забойных машин являются относительно тихоходными, работающими с окружными скоростями до 12 м/сек (выходные ступени до 2 м/сек). Нагруженность зубчатых колес достигает 1500…2000 кгс/см у передач очистных комбайнов и 400…800 кгс/см у передач забойных конвейеров.

Следует отметить особо тяжелые условия работы передач очистных комбайнов, где перекосы парных осей достигают 0,005 рад за счет упругих деформаций корпусных деталей, воспринимающих помимо усилий на опорах валов также значительные нагрузки от рабочего органа машин.

Указанные условия работы определяют выбор геометрии зацепления, материала зубчатых пар и процессов их химико-термической обработки. Это, как правило, прямозубые передачи средних (m=5…8 мм), а на выходных ступенях крупных (m=14…20 мм) модулей, проектируемые со значительным смещением исходного контура (), имеющие относительно небольшое число зубьев (11…17 на шестерне, 25…40 на колесе) и ширину венца, равную 8…12 модулей. Крутящий момент на колесо передается через цементируемые закаленные шлицы. Ввиду ограниченности поперечных габаритов зубчатые колеса комбайнов имеют ажурную конфигурацию. Часто применяются длинные вал-шестерни (600−1000мм) со значительным смещением зубчатого венца к одному из торцов.

У передач конвейеров материал зубчатой пары: шестерни — цементируемые стали 18ХГТ, 12ХНЗА и 20Х2Н4А, колеса — стали, закаливаемые ТВЧ, 40Х и 40ХН; у передач комбайнов оба элемента пары изготавливают из цементируемых сталей 18ХГТ, 25ХГТ, 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 20Х2НЧА, 20ХГН2МБФ.

Удовлетворительной надежности работы таких передач удается достичь применением ресерсосберегающих упрочняющих технологией: закалки ТВЧ, цементации с закалкой. Однако такие процессы из-за неизбежных деформаций при термической обработке деталей снижают точность на 1 степень при ТВЧ и на 2−3 степени при цементации и закалке, что резко сокращает ресурс работы зубчатой пары.

Факторы, влияющие на нагрузочную способность зубчатых колес

В результате неизбежных погрешностей профиля и направления зуба, непараллельности осей и т. п. возникают колебания передаточного отношения и дополнительные нагрузки в зацеплении, а также вибрации и повышенный шум. Дополнительные динамические нагрузки пропорциональны окружной скорости и параметрам, характеризующим погрешности шагов. Более высокие степени точности передач обеспечивают снижение динамических нагрузок, массы, габаритов передачи и повышения ее ресурсов.

Одним из основных направлений в решении задачи повышения прочности и ресурса зубчатых передач забойных машин следует считать доведение колес до 7−8 степени точности, что достигается применением шлифования, притирки и доводки.

При назначении степени точности для силовых передач следует руководствоваться указаниями, приведенными в табл. 1.

Таблица 1

Опыт эксплуатации зубчатых передач показывает, что на нагрузочную способность зубчатых колес влияет ряд факторов, которые приведены в табл. 2.

Таблица 2

С целью выявления реального спектра нагрузок, действующих в трансмиссиях горных машин, проводились обширные экспериментальные исследования горных машин, работающих в различных горно-геологических условиях эксплуатации.

Экспериментальные исследования показали, что фактический режим нагружения горных машин является случайным нестационарным процессом с частой сменой периодов действия нагрузок и их отсутствия. Простои горных машин связаны с организацией работы в лаве, с кратковременными отказами оборудования. Сложность условий эксплуатации, неоднородность свойств угольного массива также накладывает свой отпечаток на процесс нагружения горной машины, обуславливая его нестационарность. Средний уровень нагрузок, действующих в трансмиссиях горных машин, невысок, однако значителен размах потребляемой мощности. Встреча с твердыми включениями (их число в среднем составляет n=160 шт. на 100 м лавы) приводит к возникновению в приводе пиковых нагрузок. При полном стопорении исполнительного органа нагрузки в приводе превышают нагрузки пускового и максимального моментов, развиваемых двигателем. Часто в этих случаях запуск сопровождается несколькими последовательными включениями, так как значителен момент сил сопротивления, обусловленный заштыбовкой исполнительного органа.

Кроме того, фактический режим работы горных машин характеризуется частыми пусками и остановками машины. Такие кратковременные нагрузки высоких уровней приводят к возникновению необратимых явлений в элементах трансмиссий, в дальнейшем приводящих к снижению долговечности.

Исследование факторов, влияющих на формирование нагрузки в трансмиссиях, дало возможность подойти к их систематизации. Способ систематизации основан на построении графика нагружения трансмиссии горной машины. Основные нагрузки, определяющие ступени графика: Мmax — максимальный момент; Мпуск — пусковой момент; Мр — момент в рабочем режиме эксплуатации и их длительности действия, определяются в зависимости от конструкции проектируемого комбайна и схемы его работы в технологическом цикле выемки угля. На рисунке 1 представлен график нагружения для трансмиссии очистного комбайна РКУ10.

В соответствии с графиком нагружения рассчитывается эквивалентная нагрузка в трансмиссии проектируемого очистного комбайна, которая является основой для определения ресурса ее элементов.

где — номинальный момент двигателя,

— относительная длительность действия каждого уровня нагрузки, определяемая отношением длительности действия нагрузки данного уровня к суммарному времени цикла;

Оценка контактных () и изгибных () напряжений в зубчатых передачах трансмиссий исследуемых очистных комбайнов, вызванных действием средних, пусковых, максимальных нагрузок дала следующие результаты:

трансмиссия горный машина нагрузка зубья Где и — предел контактной и изгибной выносливости.

В результате исследований влияния кратковременных перегрузок на сопротивление контактной усталости установлено, что уровни безопасных перегрузок составляют. Кроме того, для цементированных зубчатых колес из высоколегированных никелевых сталей пиковая нагрузка не должна вызывать напряжения выше 2,02 во избегание перемещения зоны наибольших касательных напряжений в менее прочные слои материала, находящиеся под цементируемым слоем. Развитие усталостной трещины в этой области приводит к ускоренному отслаиванию цементационного слоя, который, оказываясь лишенным опоры, растрескивается.

Следовательно, кратковременно действующие максимальные нагрузки обуславливают преждевременное развитие усталостных повреждений зубьев и снижение их ресурса в эксплуатации.

С целью исследования влияния высоких уровней нагрузок на изгибную прочность зубчатых колес были проведены стендовые программные испытания. В результате эксперимента установлено, что напряжения изгиба в зубьях колес трансмиссий очистных комбайнов от действия максимальных нагрузок лежат в области малоцикловой усталости. Характер развития усталостной трещины в малоцикловой области, как показали фрактографические исследования изломов зубьев, существенно отличается от области многоцикловой усталости. Кратковременные высокие импульсы нагрузки, лежащие в малоцикловой области, приводит к образованию в зубьях уже на первых стадиях нагружения субмикроскопических трещин, на дальнейшее продвижение которых в большей или меньшей степени оказывают влияние пластическая деформация, размеры пластических зон, микроструктура металла и безусловно последующий характер нагружения.