автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование и разработка средств и способов, снижающих динамическую нагруженность и вибрации проходческих комбайнов избирательного действия

Введение

Глава 1. Современное состояние вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1. Анализ литературных и патентных источников, посвященных исследованию динамики проходческих комбайнов и разработке средств защиты от динамической нагруженности.3.

1.2. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Аналитическое исследование динамики проходческих комбайнов избирательного действия.З.Р

2.1. Определение основных источников динамической нагруженности режущего инструмента и исполнительного органа проходческих комбайнов.

2.2. Исследование вынужденных колебаний проходческих комбайнов с учетом нелинейных и демпфирующих свойств защитных устройств. Определение оптимальных параметров защитных устройств от динамической нагруженности.

2.3. Численные исследования на ЭВМ колебаний систем «корпус комбайна - виброзащитное устройство - машинист» при периодических возмущениях.йг

Выводы.

Глава 3. Анализ статистических и динамических характеристик упруго-демпфирующих материалов из металлической резины.

3.1. Математическое описание и анализ статистических и динамических характеристик упруго-демпфирующих материалов из металлической резины.

3.2. Технология изготовления и экспериментальное определение работоспособности и гистерезисной характеристики элементов из металлической резины.

Вьюоды.¿0%

Глава 4. Разработка защитных устройств проходческих комбайнов от динамической нагружениости и экономическая эффективность их применения./.¿.Р

4.1. Конструктивные особенности защитного устройства проходческих комбайнов избирательного действия. .¿ив

4.2. Лабораторные испытания защитного устройства проходческих комбайнов. Статистическая обработка полученных результатов. .//%.

Глава 5. Оценка экономической эффективности реализации в угольной промышленности результатов исследований.

Выводы.

Актуальность работы. В современных условиях народного хозяйства, связанного с интенсивным ростом цен на механизации выемки угля, наиболее актуальным становится проблема повышения безопасности и надёжности работы горных машин, в частности проходческих комбайнов избирательного действия. Требование постоянного роста производительности проходческих комбайнов и связанное с этим увеличение технологических скоростей приводят к повышению мощности приводных электродвигателей основных исполнительных механизмов. Повышение мощности электродвигателя привода исполнительного органа вызвано также и увеличением площади поперечного сечения подготовительных выработок.

Использование мощных электродвигателей и увеличение рабочих скоростей неизбежно приводят к росту динамических нагрузок, возникающих в элементах и основных рабочих узлах проходческого комбайна. Высокие динамические нагрузки и вибрации исполнительного органа проходческого комбайна, в свою очередь, приводят к преждевременному выходу из строя редуктора и режущего инструмента, в результате снижается производительность комбайна, и увеличиваются стоимостные показатели проведения горных выработок. Кроме того, высокие поперечные и продольные колебания корпуса комбайна, которые превышают санитарно -допустимые нормы, вызывают нарушение вестибулярных реакций и координации движения машиниста, нарушение функции сердечно-сосудистой системы и в результате возникновение вибрационных заболеваний.

Одним из основных резервов повышения эффективности работы проходческих комбайнов, при их работе в сложных горно-геологических условиях, является уменьшение динамических нагрузок и снижение уровня вибраций исполнительного органа и наиболее нагруженных рабочих узлов комбайнов. Необходимо отметить, что защитные устройства, которые разработаны до настоящего времени, не обеспечивают достаточное снижение знакопеременных критических динамических нагрузок и, соответственно, мало эффективные. Одним из основных факторов, тормозящих совершенствование конструкции защитных устройств, является отсутствие достоверных расчетных схем и современных методов анализа динамики, наиболее нагруженных узлов комбайна. Традиционные методы исследования и существующие математические модели проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом в недостаточной мере учитывают случайны характер возникновения вибрации и динамических нагрузок, а также нелинейность исследуемой системы. Оптимизация параметров защитных устройств, обеспечивающих значительное снижение динамических нагрузок и вредных вибраций, может быть осуществлена на основе достоверных математических моделей, учитывающих вышеуказанные особенности динамического процесса, а также с использованием ЭВМ и соответствующего вычислительного алгоритма в процессе проектирования.

Из вышеизложенного видно, что разработка новых методов и средств, снижающих динамическую нагруженность и вибрации проходческих комбайнов избирательного действия., на основе анализа вынужденных колебаний системы «режущий инструмент - защитное устройство - комбайн» с учётом нелинейного характера поглощения энергии внешних нагрузок и упруго-вязкого свойства тела человека, является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Исследование динамики проходческих комбайнов избирательного действия с учетом демпфирующих свойств защитного устройства и разработка средств и способов,снижающих их динамическую нагруженность и вибрации.

Идея диссертации заключается в том, что снижение знакопеременных динамических нагружений и высоких вибраций, возникающих в элементах и основных рабочих узлах проходческих

- комбайнов избирательного действия, может быть обеспечено использованием защитных устройств с диссипативными свойствами энергии вынужденных колебаний.

Новизна работы заключается: в определении основных источников динамической нагруженности режущего инструмента и исполнительного органа проходческих комбайнов и в разработке способов качественной оценки вероятных характеристик процесса и перераспределении дисперсии между частотами внешних возмущений; в разработке расчетных схем и соответствующих математических моделей механических систем «инструмент - защитное устройство -комбайн - человек» с учётом нелинейных характеристик защитного устройства и упрого-вязких свойств тела человека-оператора и в определении оптимальных параметров защитного устройства обеспечивающие отсрочку системы от критических динамических нагружений и снижению вредных вибраций до допустимых норм; в установлении закономерностей изменения коэффициента поглощения и логарифмического декремента упруго-демпфирующих элементов из металлической резины в зависимости от частоты и амплитуды вынужденных колебаний; в разработке технологии изготовления и экспериментальное определение работоспособности и гистерезисной характеристики указанных элементов; в разработке методики расчета и выбора параметров защитных устройств с использованием ЭВМ, программы для численных исследований и определении динамических перемещений корпуса комбайна и машиниста в продольном направлении.

Практическое значение работы состоит: в разработке методики экспериментальных испытаний защитных устройств и конструкции защитного устройства на элементах из металлической резины, которые обеспечивают значительное снижение динамических нагружений на основные рабочие узлы проходческих комбайнов избирательного действия и повышение производительности и надежности их работы; ■ в определении основных параметров (жесткость, рассеивающая способность, постоянная составляющая силы) регулированием которых можно обеспечить автоматически изменяемую гистерезисную характеристику упруго-демпфирующих элементов при широком изменении амплитуды внешних возмущений и полную стабилизацию осевой нагрузки исполнительного органа в продольном направлении. В разработке технологии изготовления и экспериментальном определении работоспособности упруго-демпфирующих элементов из металлической резины, обеспечивающих повышение надежности комбайнов избирательного действия.

Обоснованность н достоверность научных положений, выводов н рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в лабораторных и промышленных условиях, применением апробированных методов анализа вынужденных колебаний нелинейных систем, математической статистики и численного моделирования с использованием ЭВМ.

Реализация результатов работы. Результаты исследований и разработанная методика расчета выбора оптимальных параметров защитных устройств проходческих комбайнов избирательного действия используется при создании надёжных и высокопроизводительных проходческих комбайнов институтом ИГД им. А.А. Скочинского, ЦНИИПодземмашем.

Работа заканчивается основными выводами и рекомендациями по определению оптимальных параметров защитного устройства. Ожидаемый экономический эффект составляет 171205 руб.

Апробация работы. Результаты исследований должны заинтересованным организациям ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского, У — докладывались и получали одобрение на объединенном семинаре лабораторий рудничной гидроаэромехиники и динамики горных машин и установок ИГМ АН Грузии (Тбилиси 1998), научном семинаре отделение горной механики ННЦ ГП ИГД им. А.А.Скочинского (Москва, 1999), на семинаре института ЦНИИПодземмаша (Москва 1999).

Публикации. По результатам работы опубликовано 2 печатных работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения, изложенных на 121 страницах, машинописного текста и содержит 36 рисунков, 8 таблицы, список использованной литературы из 40 наименований, и приложения.

Выводы

1. Разработана конструкция защитного устройства с упруго-демпфирующим звеном из элементов металлической резины, параметры которых подобраны на основе результатов аналитических исследований для увеличения рабочего хода защитного устройства элемента из МР были включены последовательно. Плавное и автоматическое изменение средней жесткости упруго-демпфирующих элементов обеспечивает полную стабилизацию и значительную уменьшению динамической нагруженности.

2. Оснащение проходческих комбайнов защитным устройством обеспечивает уменьшение уровня виброскорости на рабочем месте машиниста в диапазоне октавных частот (2-63 Гц) на 10-15 дб., а на корпусе комбайна 10 до.; по общему уровню частотного спектра уменьшение уровня виброскорости на корпусе комбайна составляет 8-10 дб.

3. При работе проходческих комбайнов с применением защитного устройства динамические нагрузки и частоты вращения ржущего инструмента стабилизируется и уменьшается в среднем 40-45%, это в свою очередь расширяет область применения проходческих комбайнов избирательного действия при широком изменении крепости породы (Г = 4-22). Ожидаемый экономический эффект от реализации результатов исследований составляет 171205 тыс.руб.

Заключение

В диссертационной работе осуществлено теоретическое обобщение и решение научно» задачей исследование и разработки средств и способов снижающие динамическую нагруженность и вибрации проходческих комбайнов избирательного действия на основе использованием защитных устройств с упруго-демпфирующим элементов из металлической резины, что имеет важное значение дли угольной промышленности.

Проведение исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Обосновано, что систему «режущий инструмент - защитное устройство - комбайн», включающую внутренние потери защитного устройства и упруго-вязкие свойства тела человека можно рассматривать как нелинейные, а возмущающие силы, возникающие взаимодействием режущего инструмента с породой, в виде нормального случайного процесса. Разработан способ определения основных источников динамической нагруженности режущего инструмента и исполнительного органа проходческих комбайнов, который даёт возможность качественно оценить вероятностные характеристики процесса и определить перераспределение дисперсии между частотами.

2. Разработана расчетная схема и соответствующая математическая модель системы «порода - исполнительный орган - комбайн» с учётом нелинейности характеристики защитного устройства, причём вертикальные составляющие осевого усилия рассмотрены как полигармоническими функциями. Анализом решений вынужденных колебаний вышеуказанной системы определены рациональные интервалы изменения значения силы внутреннего сопротивления защитного устройства, обеспечивающие минимальную амплитуду динамического перемещения исполнительного органа комбайна.

3. Установлено, что с уменьшением коэффициента жесткости до определенного значения и с увеличением коэффициента поглощения

-/и амплитуда виброскорости корпуса комбайна уменьшается. Определена собственная частота и средняя жесткость защитного устройства, которые обеспечивают отстройку системы от критических динамических иагружений и от резонансных и околорезонансных режимов. Установлено, что условие антирезонанса достигается при строгом постоянстве частоты возмущающей силы.

4. Численным исследованием поведения вышеуказанной системы определено динамическое перемещение корпуса комбайна и машиниста в продольном направлении, соответствующего трем первым формам колебаний. Рекомендуемые численные значения параметров системы даег возможность проектировать надёжные проходческие комбайны избирательного действия и исключать возникновение параметрических и автоколебательных процессов.

5. Лабораторными и стендовыми испытаниями установлено, что упруго-демпфирующие элементы из металлической резины (МР) имеют ярко выраженную гистерезисную характеристику параболического типа, как в статических, так и в динамических циклах сжатия-разгрузки. Предложено математическое описание формы петли гистерезиса указанного типа, способствующей с достаточной для инженерной практики точностью получить количественные результаты процессов, происходящих в элементах из МР при статических и динамических нагружеииях.

6. Результаты статических и динамических испытаний на резерв работоспособности и рабочего хода элементов из МР следующие: статический ход элементов в пределах заданной грузоподъемности обратно пропорционален и зависит от диаметра и модуля упругости исходного материала (проволоки), из которого изготовлены данные элементы. Площадь гистерезиса увеличивается с увеличением амплитуды деформации, а с увеличением деформации площадь гистерезиса практически не меняется.

7. Разработана конструкция защитного устройства с упруго-демпфирующим звеном из элементов металлической резины. Плавное и автоматическое изменение средней жесткости упруго-демпфирующих элементов обеспечивает полную стабилизацию и значительную уменьшению динамической нагруженности.

8. Оснащение проходческих комбайнов защитным устройством обеспечивает уменьшение уровня виброскорости на рабочем месте машиниста в диапазоне октавных частот (2-63 Гц) на 10-15 дб., а на корпусе комбайна 10 дб.; по общему уровню частотного спектра уменьшение уровня виброскорости на корпусе комбайна составляет 8-10 дб.

9. При работе проходческих комбайнов с применением защитного устройства динамические нагрузки и частоты вращения ржущего инструмента стабилизируется и уменьшается в среднем на 40-45%, это в свою очередь расширяет область применения проходческих комбайнов избирательного действия на угольных пластах при широком изменении V крепости породы (1 = 4*42).

Ожидаемый экономический эффект от реализации результатов исследований составляет 171205 руб.

1. Дрит С. Кляйнерг Х.В., Хаф Е. Новые материалы режущих вставок резцов проходческих комбайнов избирательного действия, Глюкауф, 1992, №5,с. 85-90.

2. Дрит С. Исследования по выбору конических резцов и экономичной скорости резания для проходческих комбайнов избипрательного действия. Глюкауф, 1992,№5, с. 91-97.

3. Арустамян Н.С. Анализ напряжений в поворотных резцах проходческих комбайнов. Горная механика итехнология добычи угля: Научное сообщение. Институт Горного дела им. А. А. Скочинского. М.: 1989, с. 171-176.

4. Козлов А.А. Рекомендации по совершенствованию универсальной муфты предельного момента для исполнительного органа проходческого комбайна. Вопросы создания новой техники: научное сообщение. Институт Горного дела им. А.А.Скочинского.-М.: 1987, с. 81-84.

5. Котов В.П. Исследование и установление параметров исполнительных органов ударного действия для проходческих комбайнов. Диссертационная работа. М.; 1981.

6. Долгов В. JL Совершенствование проходческих машин и мероприятия по повышению их надежности. Вопросы создания новой техники: Научное сообщение. Институт Горного дела им. A.A. Скочинского. М.:1987, с. 23-27.

7. Защита от шума и вибрации на предприятиях угольной промышленности: Справочное пособие Ю.Ф. Флавицкий, Л.А.Гешлин, И.Г. Резников и др. -М.: Недра, 1990. с. 67.

8. Хургин З.Я. , Крыловский А.Л., Мельников А.Н., Снижение динамичности нагрузок в приводе проходческого комбайна. Науные труды ИГД им. A.A. Скочинского, 1983, вып. 220. Создание и повышение надежности горношахтного оборудования, с. 55-60.

9. Насыров A.A. Обоснование и выбор параметров системы «Исполнительный орган-привод» проходческих комбайнов с учетом динамических нагрузок. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1980, с.178.

10. Рылов Г.В., Малиованова В.Д. Обоснование целесообразности применения объёмного гидропровода исполнительного органа проходческого комбайна. Научные труды ИГД им. A.A. Скочинского, 1983, вып. 216. Проблемы проведения горных выработок, с. 24-29.

11. Локтионов A.B. Анализ результатов испытаний проходческих комбайнов с избирательным исполнительным органом на шахтах Кузбасса. Научные труды. ИГД им. A.A. Скочинского, 1969, вып. 64, с. 15-19.

12. Пономарев П.В. Влияние частоты следования ударов на процесс разрушения пород. Известия высших учебных заведений. Горный журнал, 1969, №210, с. 20-27.

13. Жуган Б. Д. Исследование и выбор оптимальных режимных параметров стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук, М.: 1980, с. 189.

14. Козлов А.А. Анализ результатов испытаний муфты предельного момента на проходческом комбайне ПК9Р. Научное сообщение Институт Горного дела им. А.А.Скочинского. 1986, вып. 246. Вопросы создания новой техники, с. 110-114.

15. Туяхов Л. С. Исследование и моделирование динамической нагруженности режущего инструмента и барабанных (шнековых) исполнительных органов угольных комбайнов. Диссертация на соискание канд. техн. наук М.: 1974, с. 145.

16. К исследованию рассеивающей способности упругодемпфирующих материалов используемых в горных машинах. А.А.Дзидзигури, Г.М

17. Дилогнов, Д.П.Омпадзе и др. . Физ. Тех. Проблем разработкиполезных ископаемых. Новосибирск Изд. Наука, 1982, с. 116-118.

18. Сойфер А.М., Бузуцкий В.Н. Цельпометалические упруго-демпфирующие элементы, их изготовление и применение. В сб. : Труды Куйбышевского авиационного института, 1965, вып. XIX с. 1516.

19. Бандзеладзе Б.Р. исследование вопросов стабильности работы исполнительных органов угледобывающих комбайнов. Дис. На соискание ученой степени канд. техн. наук. Тбилиси, 1975, с. 119.

20. Ас. 1307944. Муфта предельного момента. / Вл. Е. Александров, Вс. Е. Александров, АГ. Бурыгин и др./ опуб. в бюллетене 11.06.1985 г.

21. Патент №2044187. Предохранительная муфта. / Вл. Е. Александров, А.Е. Колинько, В.Н. Максимов и др./ опуб. 6.XI. 1991 г.

22. Динамика проходческих комбайнов / Бреннер В.А., Каролюс АА., Павел П.П. и др./ М: Машиностроение, 1997, с. 2240.

23. Барон JI.H. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. М.: Наука, 1969,151 с.

24. Базер Я. Н., Крутилин В.Н., Соколов Ю.Л. Проходческие комбайны. М.: Недра, 1974, с. 5-60.

25. Вибрация в технике. Справочник в 6 томах, т. 2. М: Машиностроение, 1981, с. 15-89.

26. Л.Ш. Гавашели. Анализ колебательных процессов нелинейных систем с гистерезисными харакетристиками элептического типа. Тбилиси, Мецниереба, 1994, с. 43.

27. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1980, с. 270.

28. Ляпунов АМ. Общая задача об устойчивости движения. М: Гостехиэдат, 1956, с. 55-70.

29. Математическое описание и анализ статических и динамических характеристик упруго-демпфирующих материалов / ААДзидзигури, Л.Ш. Гавашели, Д.Н. Омпадзе и др. / Сообщения АН ГССР, Тбилиси, 1988, т. 132, №1, с. 41-44.

30. Гавашели Л.Ш. Моделирование на ЭВМ случайных колебаний нелинейных двухмассовой механической системы с внутренним трением. Сообщения АН ГССР, Тбилиси, 1986, т. 121, №1, с. 49-52.

31. Гавашели Л.Ш. Численные исследования динамических процессов в станках шарошечного бурения при их периодических возмущениях, Тбилиси, Мецниереба, 1990, с. 12.

32. Гавашели Л.Ш. Теория виброзащиты горных машин при случайном характере возмущений. Тбилиси, Мецниереба, 1993, с. 35.

33. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. Москва, «Наука», 1991, с. 248.

34. Гавашели Л.Ш., Ткебучава МЛ., Липей О. В. Снижение динамической нагруженности исполнительных органов проходческих комбайнов избирательного действия // Научн.сообщ. / ННЦ ГП ИГД им. А.А Скочинского. Вып. 307: Горная механика. М., 1998. С. 37-45.

35. Гавашели Л.Ш., Ткебучава МЛ., Липей О.В. Определение основных источников динамической нагруженности режущего инструмента и исполнительного органа проходческих комбайнов Там же.- С. 93-99.

36. Временное методическое руководство по составлению расчетов экономической эффективности от снижения шума и вибрации горных машин. ИГД им. А.А. Скочинского, М.: 1981, с. 25.