You are currently viewing Разработка и анализ возможных вариантов гидро и электропривода в трансмиссии геохода

Разработка и анализ возможных вариантов гидро и электропривода в трансмиссии геохода

Содержание

Существующие технологии и оборудование для формирования подземного пространства накопили в своем развитии большое количество научно-технических противоречий и проблем, решение которых невозможно в рамках существующего консервативного направления модернизации горнопроходческого оборудования [1]. При неминуемом росте в стране объемов городского тоннельного строительства актуальность решения задач повышения скорости проходческих работ, производительности и безопасности труда, снижения себестоимости работ приобретает первостепенное значение. Интенсификация освоения подземного пространства требует совершено новых проходческих машин и технологий [2].

Коллективом авторов предложен отличный от традиционного подход к процессу проведения горных выработок. Проходка выработок изначально ими рассматривается как процесс движения твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде (геосреде) [3].

При этом подходе приконтурный массив пород используется как опорный элемент, воспринимающий реактивные усилия от горнопроходческого оборудования при выполнении им основных технологических операций. Принцип функционального совмещения основного движения (подачи на забой) и процесса разрушения горных пород получил название геовинчестерной технологии (ГВТ) проведения горных выработок, а агрегат, реализующий данную технологию — геоход [3].

В рамках реализации геовинчестерной технологии ведется разработка нового поколения геоходов и его систем. Одним из основных элементов геохода является его привод и трансмиссия, т.к. именно они определяют базовые силовые параметры геохода, а также скорость его продвижения в геосреде. Исходя из особенности работы геохода, были выработаны основные требования к трансмиссии геохода [4].

Требования к трансмиссии геохода:

  • Должна обеспечивать достаточный крутящий момент на внешнем движителе геохода для продвижения головной и стабилизирующей секций;
  • Передавать от привода крутящий момент достаточный для отделения горной породы исполнительным органом (создание напорного усилия);
  • Должна обеспечивать достаточную производительность геохода при любом его пространственном расположении;
  • Расположение и габаритные размеры трансмиссии и привода должны оставлять свободное пространство внутри агрегата для прохода людей и удаления породы из призабойной зоны;
  • Должна обеспечивать непрерывное перемещение агрегата на забой;
  • Трансмиссия и привод должны обеспечивать маневренность геохода по трассе проводимой выработки и реверс его движения;
  • Трансмиссия и привод должны быть смонтированы на единой конструктивной базе геохода;
  • Массогабаритные показатели трансмиссии должны обеспечить снижение металлоемкости оборудования по сравнению с традиционными проходческими щитами и проходческими комбайнами.

На первых экспериментальных образцах геоходов ЭЛАНГ-3 и ЭЛАНГ-4 для их перемещения и подачи на забой были применены гидроцилиндры, расположенные по хордам окружности [5].

Конструктивно и функционально в трансмиссии геохода возможны следующие варианты применения гидропривода:

  • Гидропривод с гидроцилиндрами.
  • Гидропривод с плунжерными гидроцилиндрами.
  • Гидропривод с гидромоторами.

Ранее, в геоходе ЭЛАНГ-4, подтвердил свою работоспособность вариант трансмиссии геохода с гидроприводом, представляющим собой ряд гидроцилиндров, расположенных по хордам к окружности оболочки взаимосопрягаемых секций [5]:

  • При диаметре геохода 3,7 м и шаге однозаходной винтовой лопасти равном 0,615 м такая конструкция трансмиссии обеспечила осевую скорость перемещения экспериментального образца геохода в штатном режиме 1,5 м/ч., а максимальную — 2,4 м/ч.
  • Здесь речь идет о коротких промежутках времени. Крутящий момент составлял 3500 кН-м при энергоемкости разрушения 0,2 кВт/т.
  • При осевой скорости перемещения 2,4 м/ч и применении в качестве внешнего движителя однозаходной винтовой лопасти, частота вращения составляет 4 об/ч.
  • При рациональном использовании машинного времени частота вращения головной секции геохода может достигать 8 об/ч.

Приведенные параметры движения геохода в первом приближении отображают требуемые для работы силовые и скоростные характеристики трансмиссии и привода геохода. Поэтому они были приняты в качестве исходных данных для рассмотрения других вариантов трансмиссии геохода с гидроприводом.

Первые варианты трансмиссии геохода не соответствуют предъявляемым требованиям в части обеспечения непрерывности перемещения агрега­та на забой [4].

Вариант применения гидроцилиндров в трансмиссии с попыткой обеспечения непрерывности перемещения

Рисунок 1 – Схема гидропривода геохода с гидроцилиндрами с непрерывным вращением
Рисунок 1 – Схема гидропривода геохода с гидроцилиндрами с непрерывным вращением

где

  • Привод состоит из 8 приводных гидроцилиндров, разделенных на две группы А и Б по 4 гидроцилиндра в каждой.
  • Храповый механизм 1.
  • Первая группа гидроцилиндров подключена к одной ветке гидросхемы, вторая к другой.
  • Гидроцилиндры соединены одной проушиной 2 к неподвижной хвостовой секции 3, а второй — к вращающейся секции.
  • Секции соединены между собой с возможностью их взаимного поворота.

Принцип работы состоит в следующем:

  • При работе первая группа гидроцилиндров А выдвигается и отталкиваются от неподвижной секции и вращают подвижную, при этом вторая группа Б гидроцилиндров задвигается.
  • Скорость задвигания гидроцилиндров в этом случае должна быть гораздо большей, чем скорость выдвижения.
  • Затем вторая группа гидроцилиндров Б начинает выдвигаться и «вступает» в работу до остановки первой группы А, при этом первая группа гидроцилиндров задвигается в исходное положение. Далее цикл повторяется.

Преимущества данного технического решения:

  • Отсутствие прерывистого движения.
  • Сравнительно малый вес и небольшие габариты привода.
  • Возможность регулирования скорости вращения подвижной секции за счет увеличения подачи.

К недостаткам можно отнести:

  • Сложность синхронизации действия всех гидроцилиндров;
  • Необходимость введения храпового механизма;
  • Колебания скорости вращения и крутящего момента;
  • Перекручивание рукавов высокого давления в процессе вращения головной секции;
  • Наличие изгибающих нагрузок на штоках гидроцилиндров.

Вариант применения гидропривода с плунжерными гидроцилиндрами

Схема гидропривода с применением плунжерных гидроцилиндров предусматривает передачу крутящего момента шестеренно-реечной трансмиссией, которая совершает возвратно-поступательное и вращательное движения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема гидропривода геохода с плунжерными гидроцилиндрами
Рисунок 2 – Схема гидропривода геохода с плунжерными гидроцилиндрами

где

  • Трансмиссия состоит из зубчатой рейки 1, расположенного на поршне плунжерного гидроцилиндра 2.
  • В зацеплении с рейкой находится зубчатые шестерни 3 и 4, которые закреплены на валу привода 5.
  • Шестерня 4 находится в зацеплении с колесом внутреннего зацепления 6, расположенным на внутреннем диаметре вращающейся секции. В зависимости от габаритов угол поворота выходного вала будет составлять от 90°до 360°.

Принцип работы, следующий:

  • Зубчатая рейка 1 и шестерня 3 имеют некоторое передаточное число.
  • Перемещающийся в цилиндре поршень плунжерного гидроцилиндра 2 с зубчатой рейкой 1 меняет свое положение под действием давления рабочей жидкости.
  • Шестерни 3 и 4 вращаются. Шестерня 4 в свою очередь вращает зубчатое колесо внутреннего зацепления 6, расположенного на вращающейся секции.
  • Дойдя до упора поршень, останавливается, а шестерня 4 и зубчатое колесо 6 выходят из зацепления.
  • Поршень 2 возвращается в исходное положение и цикл повторяется.

Достоинства данной схемы:

  • Простая конструкция гидросхемы и кинематики по сравнению с трансмиссией с гидроцилиндрами.
  • Отсутствует необходимость в преобразовании поступательного движения.
  • Сравнительно небольшая масса.

Недостатки:

  • Наличие прерывистого вращения секции.
  • Большие нагрузки на зубчатую передачу.
  • Наличие холостого хода гидроцилиндров.
  • Сложность изготовления и монтажа системы обратного хода.

Данная схема также не удовлетворяет требованиям к трансмиссии в части обеспечения непрерывности вращения секции геохода.

Вариант применения гидропривода от нерегулируемого гидромотора

Для создания большого крутящего момента возможно применить LSHT- гидромоторы (Low Speed High Torque Motors), низкооборотные высокомоментные моторы, например, фирмы Denison Hydraulic, США). Величина крутящего момента в них достигает 45000 Н м, при давлении рабочей жидкости до 45 МПа. В данном случае (рисунок 3) потребуется регулирование скорости вращения выходного звена гидромотора (регулируемый насос на рисунке 3 не показан).

Рисунок 3 – Схема гидропривода геохода с гидромотором
Рисунок 3 – Схема гидропривода геохода с гидромотором

где

  • Выходной вал гидромотора 1 передает вращение на зубчатое колесо 2.
  • Зубчатое колесо 2 находится в зацеплении с зубчатым колесом внутреннего зацепления 3, расположенного на внутренней поверхности вращающейся секции.
  • Вращательный момент от гидромотора, расположенного на неподвижной секции, передается через зубчатое колесо 2 на вращающуюся секцию геохода.

При увеличении общего числа гидромоторов до двух или трех, но меньшего типоразмера (рисунок 4), распределение нагрузки по диаметру секции будет более равномерным, уменьшится передаточное число редуктора и его габариты.

Рисунок 4 – Схема гидропривода геохода с двумя гидромоторами
Рисунок 4 – Схема гидропривода геохода с двумя гидромоторами

Достоинства данной схемы:

  • Отсутствуют звено преобразования вращательного движения;
  • Непрерывность в работе;
  • Отсутствует необходимость возврата системы в исходное положение;
  • Возможность регулирования скорости вращения подвижной секции;
  • Простота гидросхемы и кинематической цепочки электродвигатель-насос-гидромотор- зубчатая передача.

К недостаткам можно отнести:

  • Большие нагрузки на зубчатую передачу;
  • Большой вес и габариты;
  • Нагрузка на корпус секций геохода приходится со стороны расположения гидроприводов;
  • несимметричность расположения привода и соответственно нет возможности рационального использования свободного пространства внутри геохода.

Рассматривая достоинства и недостатки данного типа привода, можно сделать вывод о том, что данный типа трансмиссии не соответствует требованиям, предъявляемым к трансмиссии геохода в части требований к наличию свободного пространства в районе оси вращения вращающейся секции.

На основании анализа (таблица 1) применимости различного гидропривода в трансмиссии геохода можно сделать вывод о том, что гидропривод не соответствует новым требованиям, предъявляемым к трансмиссии и приводу.

Таблица 1 – Анализ применимости гидроприводов в трансмиссии геохода
Таблица 1 – Анализ применимости гидроприводов в трансмиссии геохода

Применение в трансмиссии геохода электропривода с механической передачей

Электропривод широко распространен в приводах горношахтного оборудования, но его применение в трансмиссии сопряжено с необходимостью использования различного рода механических зубчатых передач [6].

Трансмиссия геохода должна строиться на передачах, реализующих высокие передаточные числа, обладающих высокой нагрузочной способностью и высокой надежностью.

Рассмотрим известные конструктивные решения применения электропривода с механическими передачами:

  • Электропривод с зубчатыми цилиндрическими передачами.
  • Электропривод с зубчатыми коническими передачами.
  • Электропривод с червячной передачей.
  • Электропривод с планетарной передачей.
  • Электропривод с волновой передачей.

Цилиндрические зубчатые передачи

Передачи наружного и внутреннего зацепления являются простыми в изготовлении и наиболее распространенными в машиностроении. Они служат для передачи вращения между параллельными и соосными валами и в основном применяются прямозубые, косозубые и шевронные передачи с эвольвентным профилем зуба.

Данные передачи при одноступенчатой схеме могут обеспечивать:

  • Значение передаточного отношения до 8.
  • При двухступенчатой схеме значение передаточного отношения колеблется в пределах от 8 до 60.
  • При трехступенчатой схеме — от 60 до 300.
  • В редких случаях значение передаточного отношения может достигать нескольких сотен и даже тысяч.
  • КПД данных передач (одной ступени, закрытого исполнения) находится в пределах от 0,96 до 0,98.
  • Такие передачи возможно применять при больших скоростях (до 150 м/с).
  • Передаваемая мощность может достигать сотен и даже тысяч киловатт [7].
  • Косозубые и шевронные передачи, по сравнению с прямозубой, обеспечивают более высокую плавность работы и в ряде случаев имеют меньший весовой показатель (отношение массы зубчатых колес к вращающему моменту на тихоходной ступени).

Основные достоинства данных передач:

  • Большая надежность и долговечность.
  • Высокий КПД.
  • Постоянство передаточного отношения, достаточно высокая нагрузочная способность.

Основные недостатки:

  • С повышением нагрузочной способности и значений передаточного отношения существенно увеличиваются масса и габариты передачи.
  • Необходимость высокой точности изготовления зубчатых колес.
  • Шум при работе.
  • Высокая жесткость не позволяющая компенсировать динамические перегрузки.

Зубчатая передача эвольвентного зацепления не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к передачам, используемым в трансмиссии геохода, т.к. для обеспечения необходимого крутящего момента и необходимой частоты вращения головной секции габариты передачи выйдут за рамки допустимых значений.

Коническая зубчатая передача

Применяется для передачи движения и крутящего момента в случаях, когда пересекаются оси ведущего и ведомого валов и только в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины. Данные передачи при одноступенчатой схеме могут обеспечивать значение передаточного отношения до 4. Двухступенчатые и трехступенчатые схемы использования конической передачи не применяются, а в качестве второй и третей ступени используются цилиндрические передачи.

Поэтому основные параметры составляют:

  • Для двухступенчатой схемы значение передаточного отношения колеблется в пределах от 4 до 50.
  • При трехступенчатой схеме — от 50 до 200.
  • КПД данных передач (одной ступени, закрытого исполнения) находится в пределах от 0,95 до 0,97.
  • Нагрузочная способность данных передач меньше, чем цилиндрических и составляет порядка 0,8…0,85 от их нагрузочной способности [7].

Достоинство данной передачи:

  • При необходимости возможна компоновка осей передачи, которые пересекаются под некоторым углом.

Недостатки:

  • Необходима высокая точность изготовления и монтажа зубчатых передач данного типа.
  • Колеса расположены консольно, что существенно снижает нагрузочную способность по сравнению с цилиндрическими передачами.

Учитывая конструктивные особенности передачи, нерационально использовать коническую зубчатую передачу в трансмиссии геохода, к этому нет ни конструктивных, ни функциональных предпосылок, т.к. по условию компоновки трансмиссии необходимо, чтобы ось вращения геохода совпадала с осью вращения передачи. В противном случае, требование по наличию свободного пространства для удаления горной массы не будет выполняться.

Поэтому, данная передача также не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к передачам, используемым в трансмиссии геохода.

Червячная передача

Применяется в случаях, когда оси ведущего и ведомого валов перекрещиваются (обычно под прямым углом).

Данные передачи характеризуются:

  • При одноступенчатой схеме могут обеспечивать передаточной отношение до 70.
  • При двухступенчатой схеме передаточное отношение колеблется в пределах от 70 до 500.
  • КПД данных передач (одной ступени, закрытого исполнения) находится в пределах от 0,7 до 0,92.
  • Данные передачи не применяются при больших скоростях в виду чрезмерного тепловыделения. Передаваемая мощность передачи может достигать сотен киловатт [7].

Основное достоинство данной передачи:

  • Обеспечение больших передаточных отношений на одной ступени передачи.

Основные недостатки:

  • Большое скольжение в зацеплении служит причиной пониженного КПД.
  • Повышенное тепловыделение и износ.
  • Склонности к заеданию.
  • Необходимости постоянной смазки и охлаждения.

Для обеспечения конструктивной возможности размещения червяной передачи внутри корпуса геохода и обеспечения большого крутящего момента необходимо расположить несколько передач по внутреннему периметру корпуса геохода (как показано на рисунке 1).

При данной, периферийной, схеме расположения у нижних редукторов будет затруднено смазывание передачи, т.к. червячная передача не будет погружена в смазку, что существенно повлияет на работоспособность, износостойкость и надежность данной передачи. Также недостатком будет являться габариты передачи, которые будут существенными, т.к. требуется обеспечить большой крутящий момент и большое передаточное отношение.

Планетарные передачи

Данные передачи содержат зубчатые колеса с перемещающимися осями и состоят, обычно, из центрального колеса с наружными зубьями, сателлитов, водила и центрального колеса с внутренними зубьями. Данная передача получила широкое распространение благодаря широким кинематическим возможностям, которые позволяют ее использовать как редуктор с постоянным передаточным отношением, так и как коробку скоростей и как дифференциальный механизм. Планетарный принцип позволяет получить передаточные отношения порядка 1700. Поэтому при больших числах и планетарную передачу рекомендуют для кратковременно работающих приборов и маломощных приводов, в которых КПД не имеет решающего значения, случаях небольшого и передача используется в нагруженных приводах. Передаваемая мощность передачи может достигать сотен киловатт [7].

Основные преимущества:

  • Возможность использования одной и той же передачи, как в виде редуктора с постоянным передаточным отношением, так и в виде коробки скоростей, передаточное отношение в которой меняют путем поочередного торможения различных звеньев.
  • Компактность и малая масса при одинаковых силовых параметрах по сравнению с редукторами с цилиндрическими колесами (масса ниже в 2…4 раза).
  • Долговечность службы.

Основные недостатки:

  • Повышенные требования к точности изготовления и монтажа.
  • Низкий КПД в некоторых схемах при требуемых для геохода больших значениях передаточных отношений.

Оценивая возможность применения планетарной передачи в трансмиссии геохода, рассмотрим два варианта ее размещения:

  • Первый — периферийной компоновки, при котором по периметру внутренней поверхности секции расположены редукторы планетарных передач.
  • Второй — осевая компоновка, при которой используется колесо внутреннего зацепления, расположенное на внутреннем периметре вращающейся секции геохода.

При этом, как в первом, так и во втором случаях, не будет выполняться условие по обеспечению свободного пространства для удаления горной массы, т.к., в первом случае, помешают габаритные редукторы, а во втором — наличие в районе оси секции водила и зубчатых колес-сателлитов.

Передача Новикова

Данная передача считается альтернативой эвольвентному зацеплению, при этом считается, что оно имеет более высокую нагрузочную способность (порядка 1,5… 1,7 раза больше, чем у аналогичной по размеру и материалу эвольвентной косозубой передачи). Однако, в последнее время, преимущества данной передачи ставятся под сомнение [8] в виду наличия ряда недостатков в теории зацепления передач Новикова.

Существенным недостатком также является:

  • Нетехнологичность ее изготовления.
  • Данные передачи не подвергаются термообработке и не шлифуются из-за отсутствия соответствующих технологий.
  • Быстрый износ.

Поэтому данная передача в настоящее время менее конкурентоспособна, чем эвольвентная. Применение данной передачи в трансмиссии геохода не представляется возможным, т.к. не будет выполняться требование к трансмиссии по обеспечению крутящего момента достаточного для вращения секции и отделения горной массы.

Волновая передача с промежуточными телами качения (ВППТК)

Данная передача является одной из перспективных передач. Силовая передача крутящего момента осуществляется практически только обкатным движением, почти без сопротивления трения. Поэтому такие передачи работают с высоким КПД (9)

Данные передачи обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными зубчатыми передачами:

  • Большие передаточные числа (свыше 10000).
  • Большие крутящие моменты на выходном звене.
  • В конструкции ВППТК нагрузка передается с помощью шариков или роликов с углом зацепления от 90 до 180 градусов.
  • То есть, при значении передаточного отношения одной ступени равному 50, в зацеплении одновременно находится до 25 тел качения, что позволяет передавать крутящие моменты в 5… 10 раз больше, если сравнивать с зубчатой передачей, с многократной кратковременной перегрузкой и, практически, без упругих деформаций.
  • Большие перегрузочные резервы и высокая жесткость кинематических звеньев.
  • Компактность, по сравнению с зубчатой эвольвентной передачей, при равных передаточных числах и крутящих моментах ВППТК меньше по габаритам в 2…6 раз.
  • Высокий КПД (составляет 0,8…0,9).
  • Малый момент инерции, высокий уровень динамичности (в ВППТК с высокой скоростью вращается только вал с эксцентриковым генератором).
  • Высокая износостойкость передачи из-за отсутствия в ней трения скольжения, поскольку, фактически, передача представляет собой подшипник с волнообразной беговой дорожкой.
  • В отличие от традиционной волновой передачи с гибким звеном, эта передача не имеет гибких деформирующих звеньев и, практически, не имеет упругого закручивания входного вала, относительно выходного, даже при максимальных нагрузках.

В таблице 2 приведен анализ применимости различных механических передач в трансмиссии геохода.

Таблица 2 – Анализ механических передач возможных к применению в трансмиссии геохода
Таблица 2 – Анализ механических передач возможных к применению в трансмиссии геохода

Волновые передачи с промежуточными телами качения в совокупности с электроприводом, соответствуют требованиям по силовым показателям, возможности размещения в геоходе, обеспечит непрерывность, реверсивность и плавность движения, а также возможность ее монтажа на единой конструктивной базе геохода, т.е. удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к трансмиссиям геохода.

Список литературы

  1. Перспективные научные направления развития горной техники и технологии // Г.Г. Литвинский.
  2. Щитовые проходческие комплексы: Учебное пособие / Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевский М.М., Поляков Ал.В., Поляков Ан.В. — М.: Издательство «Горная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2009. — 447 с.: ил.
  3. Геовинчестерная технология и геоходы — инновационный подход к освоению подземного пространства // В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков. «Эксперт-Техника». — 2008. — №1. С. 18-22.
  4. Разработка требований к трансмиссии геоходов // В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев. «Известия ВУЗов. Горный журнал». — 2009. — №8. С. 101-103.
  5. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. — Кемерово: Аксенов В.В. Институт угля и углехимии СО РАН, 2004, 264 с., ил.
  6. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. Учебник для вузов / Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. — М. Недра, 1982, 350 с.
  7. Иванов В.Н. Детали машин: Учеб. Для студентов втузов /Под ред. Финогенова В.А. — М.: Высш. шк. 2000. — 383 с.
  8. Журавлев Г.А. Ошибочность физических основ зацепления Новикова как причина ограниченности его применения // «Редукторы и приводы», информационно-аналитический журнал, №, с. 38-44, 2007 г.
  9. Панкратов Э.Н. Проектирование механических систем автоматизированных комплексов для механообрабатывающего производства: Практикум лидера-проектировщика. — Томск: изд-во Том. Ун-та, 1998.-295 с.

Источник: 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. – 2010. — №3. – С. 7-14

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org