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
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).
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).
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.
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.
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.
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
- Перспективные научные направления развития горной техники и технологии // Г.Г. Литвинский.
- 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.
- Геовинчестерная технология и геоходы — инновационный подход к освоению подземного пространства // В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков. «Эксперт-Техника». — 2008. — №1. С. 18-22.
- 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.
- Геовинчестерная технология проведения горных выработок. — Кемерово: Аксенов В.В. Институт угля и углехимии СО РАН, 2004, 264 с., ил.
- Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. Учебник для вузов / Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. — М. Недра, 1982, 350 с.
- Иванов В.Н. Детали машин: Учеб. Для студентов втузов /Под ред. Финогенова В.А. — М.: Высш. шк. 2000. — 383 с.
- Журавлев Г.А. Ошибочность физических основ зацепления Новикова как причина ограниченности его применения // «Редукторы и приводы», информационно-аналитический журнал, №, с. 38-44, 2007 г.
- 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