Обоснование параметров трансмиссии геохода с гидроприводом

Актуальность работы.

В условиях рыночных отношений особо остро стоят задачи повышения скорости проходки, производительности труда, безопасности, снижения капитальных затрат и себестоимости проведения вскрывающих, подготовительных выработок, а также протяженных подземных сооружений. Объёмы проведения подземных горных выработок только по Кузбассу составляют около 500 км в год.

Проходческие комбайны и щиты, используемые при проведении подземных горных выработок имеют ряд недостатков: это ограничение области применения по углам наклона проводимых выработоксложность создания достаточных тяговых и напорных усилий (попытки обеспечить такие усилия за счет увеличения массы проходческих комбайнов, которая уже превышает 100 т, полностью не решают этой проблемы).

Альтернативным и перспективным подходом к проведению горных выработок является геовинчестерная технология, базовым элементом которой является геоход — аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды.

Основной системой геохода, обеспечивающей передачу усилия внешнему движителю и формирование напорного усилия на исполнительном органе является трансмиссия. Сдерживающим фактором в создании геоходов нового поколения является отсутствие обоснованных конструктивных решений трансмиссии и методик определения её основных параметров. Поэтому исследования, направленные на обоснование параметров трансмиссий геоходов нового технического уровня являются актуальными.

Цель работы — разработка научно-технических основ создания трансмиссии геохода, обеспечивающей непрерывность работы и снижение неравномерности подачи геохода на забой.

Идея работы заключается в использовании в трансмиссии геохода гидропривода с согласованием его силовых, кинематических и конструктивных параметров с внешними воздействующими факторами.

Задачи работы:

— разработать компоновочные схемы и конструктивные решения трансмиссии геохода с гидроприводом;

— разработать математическую модель взаимодействия элементов трансмиссии геохода с гидроприводом и методику расчета основных параметров трансмиссии;

— определить влияние размеров геохода и функционально-конструктивных особенностей трансмиссии на её основные параметры.

Методы выполнения исследований. Для решения поставленных задач в работе использовался комплекс методов, включающий:

— методы синтеза технических решений;

— методы структурной систематизации;

— метод программирования и математического моделирования с использованием программных средств MathCAD-11 и MS Excel;

— методы компьютерного 3-D моделирования с использованием программных средств SolidWorks и Kompas-3D.V10.

Научные положения, выносимые на защиту:

— непрерывность вращения головной секции геохода в разработанных компоновочных схемах трансмиссий обеспечивается равенством или преобладанием количества гидроцилиндров, совершающих рабочий ход, над количеством гидроцилиндров, совершающих обратный ход, причем число групп гидроцилиндров, находящихся в разных фазах выдвижения должно быть кратно общему количеству гидроцилиндров;

— силовые, кинематические и конструктивные параметры трансмиссии геохода однозначно определяются разработанной математической моделью взаимодействия элементов трансмиссии, с учётом её функционально-конструктивных особенностейкоэффициент неравномерности развиваемого трансмиссией вращающего момента при работе гидроцилиндров в разных фазах ниже, чем при синхронной работе гидроцилиндров, и уменьшается при увеличении числа фаз, что обеспечивает непрерывность подачи геохода на забой и улучшает равномерность нагружения элементов трансмиссии и геохода.

Научная новизна:

— разработаны компоновочные и конструктивные решения трансмиссии геохода с гидроприводом, реализующие непрерывность перемещения геохода на забой;

— получены аналитические выражения для определения развиваемого трансмиссией вращающего момента, угловой скорости вращения головной секции, коэффициентов неравномерности вращающего момента и угловой скорости, конструктивных параметров гидроцилиндров трансмиссии и параметров их размещения, в зависимости от принятых размеров геохода, количества гидроцилиндров, приемлемого значения неравномерности момента, требуемого габарита внутреннего пространства;

— разработана математическая модель взаимодействия элементов трансмиссии, позволяющая определять её основные параметры, в зависимости от принятых размеров геохода (диаметра головной секции), количества гидроцилиндров, приемлемого значения неравномерности момента, требуемого габарита внутреннего пространства;

— определено влияние на параметры трансмиссии её функционально-конструктивных особенностей и геометрических параметров геохода.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются корректностью допущений при разработке методики расчета основных параметров трансмиссии геоходовгарантируются использованием фундаментальных положений механики, прикладной математики, динамики машин, расчета деталей машин.

Личный вклад автора заключается:

— в обосновании и синтезе новых компоновочных и конструктивных решений трансмиссии геохода с гидроприводом;

— в разработке математической модели взаимодействия элементов трансмиссии геохода с гидроприводом;

— в разработке методики расчета основных параметров трансмиссии при возможных конструктивных решениях;

— в получении зависимостей силовых, кинематических и конструктивных параметров от внешних воздействующих факторов.

Практическая ценность работы.

Разработаны компоновочные и конструктивные решения трансмиссии геохода с гидроприводом, а также методика расчета её параметров, которые могут быть использованы в проектно-конструкторских организациях, занимающихся созданием горнопроходческой техники.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы были использованы при выполнении НИиОКР в рамках государственных контрактов № 78−01Ш-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».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2008), «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2008;2010), «Энергетическая безопасность России» (Кемерово, 2008;2010), «Перспективы развития Восточного Донбасса» (Новочеркасск, 2008), на международном научно-методическом семинаре «Современные проблемы техносферы и подготовки инженерных кадров» (Сусс (Тунисе), 2009), на «Форуме горняков — 2011» (Днепропетровск (Украина), 2011), а также на научных семинарах в Юргинском технологическом институте (филиале) Национального исследовательского Томского политехнического университета и Кузбасского государственного технического университета.

Публикации.

По теме диссертации всего опубликовано 25 научных работах, в том числе 11 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 патент РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 155 страницах текста. Она состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 88 наименований, и содержит 72 рисунка, 9 таблиц и 2 приложения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что компоновочные и кинематические схемы трансмиссий проходческих горных машин традиционного исполнения (проходческих комбайнов и щитов), а также методики расчета их основных параметров, неприменимы в непосредственном виде в трансмиссии геохода, поскольку не учитывают функционально-конструктивные особенности геохода и его элементов.

2. На основании выявленных особенностей геохода сформулированы требования к его трансмиссии, основными их которых являются следующие:

— трансмиссия должна обеспечивать непрерывную подачу геохода на забой и возможность реверсирования его движения;

— трансмиссия должна обеспечивать вращающий момент на головной секции, достаточный для формирования на внешнем движителе усилий для перемещения всего геохода, а также, достаточный для отделения горной породы от массива исполнительными органами;

— размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять достаточно свободного пространства внутри агрегата для удаления отделенной горной массы, прохода людей для обслуживания узлов, а также размещения других элементов и систем;

— трансмиссия должна обеспечивать работу геохода при любом его пространственном положении.

Разработаны варианты компоновочных схем трансмиссии геохода с двумя группами гидроцилиндров и гидроцилиндрами в разных фазах выдвижения, обеспечивающие непрерывность вращения головной секции, при этом наиболее эффективное использование гидроцилиндров по количеству достигается при Праб^обр, а общее количество гидроцилиндров должно быть кратно числу гидроцилиндров, совершающих обратный (холостой) ход, т. е. числу групп гидроцилиндров, находящихся в разных фазах выдвижения.

3. Получены аналитические выражения для определения развиваемого трансмиссией вращающего момента, угловой скорости вращения головной секции, коэффициентов неравномерности вращающего момента и угловой скорости, конструктивных параметров размещения гидроцилиндров и других элементов трансмиссии, габаритного размера свободного пространства внутри геохода, величины потребного расхода рабочей жидкости.

Разработана математическая модель взаимодействия элементов трансмиссии, позволяющая определять её основные параметры, в зависимости от принятых размеров геохода (диаметра головной секции), количества гидроцилиндров, приемлемого значения неравномерности момента, требуемого габарита внутреннего пространства.

4. Установлено, что для уменьшения неравномерности развиваемого трансмиссией вращающего момента необходимо обеспечить движение гидроцилиндров в разных фазах, при этом увеличение их количества с 4 до 14, способствует уменьшению коэффициента неравномерности развиваемого вращающего момента с 8% до 0,1%. При этом коэффициент неравномерности момента уменьшается в число раз от 2,5 до 13,4 в сравнении с синхронным движением штоков.

Выявлено, что при увеличении количества гидроцилиндров от 5 до 14 соотношение диаметров установки опор, когда коэффициент неравномерности меняется незначительно (около 5%), уменьшается с 30 до 6%.

Установлено, что при увеличении количества гидроцилиндров с 4 до 14 габарит внутреннего пространства увеличивается от 66 до 91% наружного диаметра геохода.

Заключение

.

В диссертации решена актуальная задача обоснования параметров трансмиссии геохода с гидроприводом, что вносит существенный вклад в горное машиностроение и экономику страны.