автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля

Райханова Галия Блеубаевна

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ МЕХАНИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СМЕРЗШЕГОСЯ УГЛЯ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 АВГ 2011

МОСКВА 2011

4852351

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет» на кафедре «Горные машины и оборудование» (ГМО МГТУ).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Хромой Михаил Рувимович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Вержанский Александр Петрович;

кандидат технических наук, Григорьев Сергей Михаилович

Ведущая организация:

ФГУП «ННЦ - ГГТ ИГД нм.А.А.Скочннского», г. Люберцы Московской области

Защита состоится 29 сентября 2011 г. в 14 часов в ауд. Д-251 на заседании диссертационного совета Д 212. 128. 09 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 6, FAX: (499) 237-31-63, E-mail: ud@msmu.ru;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 10 августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Е.Е. Шеппсо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ежегодно в Российской Федерации железнодорожным транспортом перевозится около трехсот миллионов тонн углей для тепловых электростанций и коксохимических заводов металлургических комбинатов. В энергетике стоимость угольного топлива может достигать до 65%, причем стоимость приёма, разгрузки и измельчения твердого топлива может достигать 8+10% стоимости выработанной электроэнергии.

Для полного сжигания уголь должен подаваться в углесжигающий агрегат в пылевидном состоянии. Уголь первоначально измельчается на дробильных установках до размеров не более 350 мм. Однако при добыче угля мощными одноковшовыми и роторными экскаваторами на тепловые электростанции во все периоды года поступают негабариты угля размером 600+1500 мм и более. Угольное топливо при перевозке в зимний период постоянно смерзается как в условиях восточных районов России, так и в условиях относительно мягкого климата её европейской части. Поэтому разгрузка железнодорожных вагонов, в которых уголь доставляется потребителю для его дальнейшей переработки или сжигания весьма трудоемка и энергозатратна. Известные химические способы предотвращения смерзания угольного топлива сегодня не нашли практического применения.

В настоящее время для восстановления сыпучести угля используются: механическое рыхление, тепловой разогрев и первичное измельчение. Первичное измельчение производится при сверхнормативной крупности угля до размера кусков 200+300 мм, которые дробятся и затем подаются в шаровые мельницы для тонкого измельчения.

Сегодня ещё на многих предприятиях для предварительного (первичного) измельчения используется малопроизводительный и тяжелый труд рабочих, разрушающих смерзшееся и негабаритное угольное топливо при помощи отбойных молотков. Более эффективными для первичного измельчения смерзшегося и крупногабаритного угольного топлива оказались дробильно-фрезерные машины, разработанные в 70-е годы. К началу 90-х годов прошлого века свыше 330 дро-бильно-фрезерных машин типа ДМФ-П и модернизированных ДМФ-ПА уже работали на 105 электростанциях, оборудованных вагоноопрокидывателями. В последние годы этого века разработан и внедрен механизированный комплекс для г-;

измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива с электрической (\

1

силовой установкой. Первый опыт его эксплуатации на электростанциях показал низкую стойкость (долговечность) вооружения рабочего органа, якорных тяговых цепей его подачи и элементов трансмиссии и, как следствие, снижение эксплуатационной производительности комплекса за счет высокой динамики нагрузки на его элементы. Поэтому вопросы улучшения динамических характеристик трансмиссии приводов рабочего органа (силовой установки) остаются актуальными, а обоснование и выбор параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля является актуальной научной задачей.

Цель работы — это установление закономерностей формирования сил сопротивления при измельчении слоя топлива для обоснования и выбора рациональных динамических параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Идея работы заключается в минимизации динамических нагрузок в трансмиссиях силовой установки за счет целенаправленного формирования механических статических и динамических характеристик привода подачи рабочего органа фрезерной машины для измельчения смерзшегося угля.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались основные положения механики твердого тела, жидкости, теории надежности, системного анализа и математического моделирования с использованием пакета прикладной программы МаШСАБ.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

• техническая производительность механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля при его заданных конструктивных и энергетических параметрах имеет нелинейную зависимость не только от технологических, но и от динамических характеристик приводов вращения и подачи рабочего органа фрезерной машины;

• суммарный коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины следует определять как произведение коэффициента динамичности цепи и коэффициента динамичности электромеханической системы (ЭМС) привода;

• математическая модель «слой смерзшегося угля - рабочий орган - трансмиссия - привод», отличающаяся возможностью формировать статические и динамические характеристики электрической силовой установки, аналогичные ха-

рактеристикам объемного гидропривода в режиме номинального нагружения при измельчении угля и в режиме стопорения рабочего органа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на применении современных научных методов исследований, включающих: аналитические исследования с использованием фундаментальных положений теоретической механики твердого тела и жидкостей; математическое моделирование и системный анализ процесса нагружения силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля и достаточную сходимость результатов аналитических и экспериментальных исследований, составляющую 80% при 15%-ной относительной ошибке.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели электрогидромеханической системы силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля и установлении зависимостей её технологического нагружения в номинальном режиме и в режиме стопорения рабочего органа от: физико-механических свойств смерзшегося угольного топлива; уровня установленных мощностей приводов вращения и подачи рабочего органа; длительности технологического цикла измельчения слоя угольного топлива; же-сткостных и демпфирующих параметров электрогидромеханической системы.

Практическое значение исследования состоит в разработке методики расчета и выбора рациональных динамических параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля в режиме номинального нагружения при измельчении угля и в режиме стопорения рабочего органа, а также в разработке технических требований на модернизацию электрической силовой установки для придания ей характеристик, аналогичных характеристикам объемного гидропривода.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты диссертационной работы приняты к использованию в ООО «ГИДРОГОРМАШ» в 2012-2014 гг. при совершенствовании существующих и создании инновационных конструкций комплексов по измельчению смерзшегося и негабаритного угля в научно-технических разработках конструкторского бюро.

Личный вклад автора состоит: • в установлении кинематических особенностей процесса разрушения слоя смерзшегося и крупнокускового угля режущей фрезой;

• в теоретических исследованиях закономерностей формирования сил сопротивления при разрушении смерзшегося угля;

• в исследовании тепловых и динамических процессов в гидрообъемной трансмиссии ходового механизма силовой установки комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Апробация работы. Основные положения работы были обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (2008-2011гг., Москва, МГГУ); на научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (2008 г., Москва, ВДНХ -НТТМ); на международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития» (1214 мая 2010 г., г. Навои, Республика Узбекистан) и на научных семинарах кафедры ГМО МГГУ (2008-2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре статьи, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 100 наименований и включает 36 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность исследования, его цель, идея, показаны новизна научных положений, практическая ценность и реализация работы.

В первой главе рассмотрено состояние проблемы и сформулированы задачи исследования. Рассмотренный круг вопросов, связанных с обеспечением надежности и конструированием приводов систем горного оборудования, отражен в работах ряда российских ученых. Большой вклад в эту область внесли: член корр. АН СССР А.В. Докукин, доктора технических наук Н.Г. Домбровский, В.М. Владимиров, Д.П. Волков, Л.И. Кантович, Р.Ю. Подэрни, Ю.Д. Красников, В.Н. Гетопанов, С.А. Панкратов, Д.К. Гришин, В.В. Гужовский, В .А. Черкасов, В .Ю. Чудновский, кандидаты технических наук А.И. Шендеров, В.Ф. Сандалов, Г.П. Берлявский, Д.Ю. Полосин, В.Ф. Замышляев, Е.Ф. Колесников, А.Г. Мин-

чин, М.Х. Мухамедов, Ю.П. Самородов й многие другие. Исследованию тепло-

4

вых процессов в гидрообъемных приводах и в системах кондиционирования рабочей жидкости посвящены работы отечественных и зарубежных ученых Г.С. Бродского, 3.JI. Финкелыптейна, И.А. Сайдаминова, В.Ф. Ковалевского, C.B. Блюмина, G.I. Stenhaus и W.C. МсСгопе.

При транспортировке угля на тепловые электростанции (ТЭС) железнодорожным транспортом в зимнее время происходит смерзание угля. Под смерзшимся углем понимается такое его состояние, при котором полностью или частично теряются свойства сыпучести. Главной причиной смерзания и промерзания углей является наличие так называемой поверхностной влаги. При низких температурах влага превращается в лед, «цементирующий уголь» в монолит. Одним из важнейших условий надежного выполнения графика нагрузки ТЭС является бесперебойная подача топлива к парогенераторам, обеспечиваемая комплексом устройств и механизмов топливоподачи и пылеприготовления. При поступлении смерзшегося топлива со снегом большинство устройств и механизмов топливоподачи работает ненадежно, со сниженной производительностью, вплоть до полного прекращения подачи топлива.

В настоящее время существуют различные способы (механическое рыхление; тепловой разогрев; первичное измельчение) и средства механизации для восстановления сыпучести смерзшегося угля. Систематизация способов восстановления сыпучести угля приведена на рисунке 1. Недостатками механического рыхления непосредственно в железнодорожном транспорте являются: низкий КПД; ограниченная производительность; износ узлов и соединений подвижного состава, из-за чего уменьшается срок службы полувагонов; необходимость ручной зачистки полувагонов после выгрузки топлива.

Рисунок 1 - Способы восстановления сыпучести угля

Более эффективными для первичного измельчения оказались дробильно-фрезерные машины, устанавливаемые на решетках приемных бункеров, первоначально изготовленные кустарным способом на Средне-Уральской ГРЭС. Для сжигания экибастузского угля машины этого типа были впоследствии конструктивно переработаны в Уральском отделении института ОРГРЭС, усовершенствованы и приняты в серийное производство.

Опыт эксплуатации дробильно-фрезерных машин показал, что они не лишены недостатков конструктивного и эксплуатационного характера, вследствие чего не обеспечивают необходимый уровень надежности и эффективности эксплуатации, к которым следует отнести: пробуксовывание ходовых колес ввиду недостаточного их сцепления с опорными рельсами; сход машины с рельсов; низкую эффективность дробления топлива; недостаточный ресурс режущих элементов фрезы и связанные с этим значительные затраты времени на их восстановление путем наплавки твердым сплавом изношенных кромок; частые поломки зубчатых колес и корпусов редукторов привода ходовых колес.

Это объясняется тем, что при разработке конструкции этих машин не учитывался опыт создания исполнительных органов очистных угольных комбайнов. То есть не были учтены ранее установленные в ИГД им. А.А. Скочинского и МГГУ закономерности процессов разрушения углей резцами различной конструкции, позволяющие выбрать оптимальные параметры разрушения и ликвидировать большинство недостатков, присущих дробильно-фрезерным машинам (ДФМ).

Более совершенным является комплекс, разработанный Южным филиалом ВТИ им. Ф.Э. Дзержинского совместно с Горловским рудоремонтным заводом. Предназначенный для измельчения смерзшегося и крупнокускового топлива на приемных решетках бункеров разгрузочных устройств, оборудованных роторными вагоноопрокидывателями (рисунок 2), такой комплекс включает фрезерную машину следующего поколения, которая состоит из: привода вращения исполнительного органа (фрезы); привода подачи фрезы; механизма подвода кабеля (пантографа).

В настоящее время более 300 дискозубчатых дробилок, дробильно-фрезерных машин ДФМ-11, ДФМ-11А и механизированных комплексов для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива конструкции Горлов-ского рудоремонтного завода работают на 105 электростанциях РФ. Последние

оборудованы роторными вагоноопрокидывателями. Анализ относительного рас-

6

пределения числа машин для измельчения смерзшегося и негабаритного угля на 105 - ти ТЭС РФ свидетельствует, что наибольшее применение при измельчении смерзшегося угля нашли комплексы конструкции ДФМ-11 и ДФМ-11А - 54,6%, в то время как комплексы конструкции Горловского рудоремонтного завода «КИУ - ГРЗ» нашли применение в 28,1%.

Угольный негаба- Угольный негаба-

Мсхаищнроваи-ный комплекс для

измельчения угольного тоили-

Роторный вагоно-опрокидыватель

рит перед юмель- рит после измельчением чения

Приемное устройство железнодорожных вагонов

Фрезерная машина

Приемный бункер парогенератора

Рисунок 2 - Механизированный комплекс для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива конструкции Горловского рудоремонтного завода

Анализ ранее выполненных исследований свидетельствует о том, что в технической литературе практически не нашли отражения вопросы, связанные с исследованием эффективности работы силовых установок (приводов) и вопросы улучшения их динамических характеристик. В настоящее время расчет и выбор параметров силовых установок машин для измельчения смерзшегося и негабаритного угля выполняется без учета динамических характеристик трансмиссии приводов вращения и подачи рабочего органа фрезерной машины (силовой установки).

Достигнутый уровень техники и технологии для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива с учетом перспектив развития гидрообъемного силового оборудования дал нам возможность сформулировать цель и задачи исследования.

Цель достигается решением следующих основных задач: • анализом современного состояния исследований и достигнутого уровня техники и технологии для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива; • установлением закономерностей формирования: момента сил сопротивления разрушению слоя смерзшегося угля; момента трения режущей фрезы при разрушении слоя смерзшегося угля; силы сопротивления движению фрезерной машины при разрушении слоя смерзшегося угля; • установлением влияния технологических,

кинематических и силовых параметров фрезерной машины на ее производительность; • разработкой принципиальной схемы гидрообъемной силовой установки фрезерной машины; • разработкой динамической модели гидрообъемной силовой установки фрезерной машины; • моделированием рациональных параметров силовой установки фрезерной машины; • разработкой методики расчета и выбора рациональных параметров силовой установки фрезерной машины механизированного комплекса для измельчения смерзшегося и негабаритного угля.

Вторая глава посвящена установлению закономерностей формирования сил сопротивления при разрушении смерзшегося угля. Рабочий процесс разрушения смерзшегося угля осуществляется путем сочетания поступательного движения режущей фрезы со скоростью Ж и ее вращательного движения со скоростью со и представляется удлиненными циклоидами (трохоидами) на участке взаимодействия со слоем угля. После прохода фрезы по всей дуге слоя угля с центральным углом <р0, она отделит от последнего элемент угля, ограниченный линиями 1 и 2, показанными на рисунке 3.

г

Рисунок 3 - Траектория движения вооружения фрезы при измельчении слоя смерзшегося угля

Центральный угол контакта фрезы <ро со слоем фрезеруемого слоя смерзшегося угля может быть определен в зависимости от отношения высоты слоя угля А <й < [А], здесь [А] - максимально возможная высота слоя угля на приемной решетке) к диаметру окружности режущих кромок вооружения фрезы £>:

<р0 = агсСо!^ 1 - , рад. (1)

_0ЕГ ЬВ

Сечение стружки в горизонтальной плоскости Г ~ ф Пгр^ ,м ' (2)

где В ширина захвата слоя угля фрезой, м ; < в< [д], здесь [В] -длина фрезы. Фрезерная машина, как и все горные машины, при работе испытывает внеш-

ние нагрузки (силы сопротивления), вызванные разрушением слоя смерзшегося угля.

Особенностью процесса фрезерования является переменная толщина стружки, и, соответственно, усилие на вооружение фрезы изменяется в зависимости от его положения на траектории. Определение сил сопротивления смерзшегося угля разрушению на основе энергетического метода было выполнено при следующих допущениях: внедрение вооружения фрезы происходит в изотропный угольный массив прочностью а=сотГ, под действием сжимающих напряжений перед вооружением фрезы образуется ядро диспергированного угля, а под действием сдвигающих напряжений, появляющихся от сил, действующих перпендикулярно плоскости вращения фрезы, происходит выдавливание угля в свободное пространство между забоем и обечайкой (барабаном) фрезы. В процессе разрушения слоя смерзшегося угля на фрезу действует сила реакции забоя Р, которую можно определить по двум ее ортогональным составляющим: , направленной по касательной к окружности обечайки фрезы и равной окружному усилию, и нормальной составляющей Е„, направленной по радиусу к оси окружности обечайки фрезы.

(раию (Райт

где а - прочность смерзшегося угля, Па; коэффициент, принимаемый Ч' =0,3 + 0,7, причем большее значение коэффициента соответствует связанным пластичным, а меньшее — крепким и хрупким углям.

Точка приложения силы реакции к окружности режущих элементов фрезы

2

(рисунок 4) имеет угловую координату <Ра — ~ <Ро, рад. (5)

Сила Гх сопротивления движению фрезерной машины в соответствии с расчетной схемой (см. рисунок 4) составит величину: Бт<ра, Н. (6) Уравнение (6) с учетом зависимостей (3), (4) и (5) принимает вид:

рх=Я>), Н. (7)

Полный момент сил сопротивления вращению фрезы Мс определится как сумма моментов, затраченных на разрушение слоя смерзшегося угля МР и на ее трение об угольный массив МТ: МС=МР+ Мт, Нм. (8)

Рисунок 4 - Расчетная схема координат точки приложения силы реакции к окружности режущих элементов фрезы

Статический момент сил МР, необходимый для его разрушения, прямо пропорционален прочности породы сг, высоте А и ширине В слоя и величине отношения скорости движения IV фрезерной машины к скорости вращения фрезы о и обратно пропорционален углу контакта фрезы <р0 со слоем смерзшегося угля на приемной решетке и в соответствии с результатом (3) составит:

Мр = аВИЖ/ахро, Нм. (9)

Момент сопротивления трению Мт при разрушении фрезой слоя смерзшегося угля составит: МР = оФ/ВИТУ/анро, Нм. (10) Статический момент сопротивления трению Мт прямо пропорционален прочности породы <г, высоте А и ширине В слоя, величине отношения скорости движения IV фрезерной машины к скорости вращения фрезы <з>, коэффициенту трения угля о фрезу а также отношению нормальной составляющей реакции слоя угля к её касательной составляющей цг и обратно пропорционален углу контакта режущей фрезы (ро со слоем смерзшегося угля и с учетом уравнений (9) и (10) определится как:

<РъЩФ

-(1 + /(г/),Нм,

(И)

где - общий КПД привода и трансмиссии режущей фрезы, равный 0,8.

Третья глава посвящена теоретическим основам расчета гидрообъемной трансмиссии «дифференциал - гидромашина». На основе сравнительного анали-

за параметров предохранительных устройств (муфт) установлено, что известные сегодня предохранительные муфты характеризуются: удобством в эксплуатации; пожаро- и взрывобезопасностью; точностью срабатывания, то есть способностью реагировать на превышение заданной величины крутящего момента М,ф с относительной погрешностью, как правило, не более 5-10 %; безотказностью работы в течение всего времени эксплуатации; постоянной готовностью к действшо; восстанавливаемостью после срабатывания, заключающейся в возврате защитного устройства в исходное положение после срабатывания; жесткостью при кручении (или обратной величиной - податливостью), представляющей собой зависимость относительного угла поворота полумуфт от величины крутящего момента Мкр; демпфированием, то есть способностью необратимо поглощать механическую энергию; местом установки предохранительного устройства в трансмиссии привода машины, влияющим на уровень нагрузки при стопорении ее исполнительного органа.

В таблице 1 приведены расчетные значения динамических моментов инерции маховых масс (приведенных к валу электродвигателя) привода исполнительного органа по ступеням и значения жесткостей валов исполнительного органа машин для измельчения смерзшегося угля.

Таблица 1

Привод ИО машины 1з кгм2 1м кгм2 12, кгм2 11 кгм2 С! кНм

Ступени редуктора

1 2 3 4 5 сумма

Комплекса «КИУ -ГРЗ» 60,0 12,2 58,5 13,0 1,2 0,38 0,07 73,15 7,10 28,6

ДФМ-11А 30,4 3,5 10,3 7,4 2,1 0,40 - 20,2 2,06 9,6

Диско-зубчатой дробилки 50,0 1,6 4,45 з,з 1,6 - - 9,35 0,21 2,7

Принятые обозначения в таблице I: // - динамический момент инерции ИО машины, кгм ; Ь - динамический момент инерции редуктора привода ИО машины, кгм3; 1з~ динамический момент инерции ротора двигателя привода ИО машины, кгм1; 1М- динамический момент инерции предохранительной муфты, кгм2; С/ - крутильная жесткость водопровода привода ИО машины, кНм.

Анализ результатов расчетных значений динамических моментов (таблица 1) инерции маховых масс (приведенных к валу электродвигателя) трансмиссии привода режущей фрезы по ступеням свидетельствует, что более 80% момента инерции трансмиссии приходится на ее первые две ступени.

Известно, что максимальные нагрузки на валу режущей фрезы машины для измельчения смерзшегося угля при стопорении возникают в случае, когда жесткость препятствия Су (угольного негабарита) намного выше жесткости валопро-вода привода Q. Реально возможная жесткость смерзшегося угля при стопорении фрезы оценивалась величиной Су= (0,7 2,0)107 Н/м.

Крутильная жесткость, приведенная к валу двигателей привода фрезы , составляет величину Су= (0,20 0,57)105Нм/рад.

Для крутильных колебаний одномассовой системы при начальном условии dtp / dt = <х>н (сон~ скорость фрезы в момент стопорения) имеем величину динамической надбавки крутящего момента — AM при стопорении фрезы:

АМ=сон Тад ,Нм, (12)

где 14 - динамический момент инерции маховых масс за предохранительным устройством, кг- м2.

Следовательно, коэффициент динамичности кд составит величину:

д Тл Л--^^

Здесь, Мном - номинальный момент трансмиссии привода ИО машины, Нм; М^с - уровень настройки срабатывания предохранительного устройства, Нм, обычно с учетом запаса прочности трансмиссии Мшс принимают равным 1,3 Мном

и уравнение (13) принимает вид: кд =1,3+ (14)

Мнш

При расчете коэффициента динамичности нами рассматривались два варианта включения предохранительного устройства (муфты) в трансмиссию привода исполнительного органа: первый вариант включения предохранительного устройства с динамическим моментом инерции, равным нулю кщ{1м = 0); второй вариант включения предохранительного устройства с реальным динамическим моментом инерции км (1м > 0). При этом учитывался только динамический момент инерции ведомой части муфты.

Расчетами отношения коэффициентов динамичности кд2{1м > 0) / кд1(1м-0) (рисунок 5) от места установки предохранительного устройства (муфты) в редукторе привода фрезы по уравнению (14) установлено, что: коэффициент динамичности трансмиссии привода режущей фрезы (при одинаковых начальных условиях стопорения) зависит от места установки предохранительного устройства

(муфты) в редукторе привода; на тихоходных ступенях трансмиссий привода коэффициент динамичности с инерционной муфтой кд2 (/„ > 0) незначительно отличается от коэффициента динамичности с безинерционной муфтой кц(1м = 0) всего на 3 - 5 %; при установке предохранительных устройств между электрическим (переменного тока с короткозамкнутым ротором) двигателем и редуктором, даже несмотря на малую инерционность и высокую точность срабатывания, предохранительные муфты имеют практически одинаковую низкую эффективность;

гамилт "шг-гп' . ,7-НГ-Ш

Рисунок 5 - Зависимость отношения коэффициентов динамичности кЛ2(1м > О) / 0) от места установки предохранительного устройства б редукторе привода исполшпьельного органа

I ( 5 1 3

Ясдер мяяуснтммг «/У^ДОМШтм.^.ГЛНДО^/ШЛ

Г> .11

• при стопорении исполнительного органа коэффициенты динамичности приводов с инерционными предохранительными муфтами (1М > 0) превышают коэффициент динамичности с безинерционными муфтами (/„ = 0) всего на 1012%, а уровень нагрузки на валу исполнительного органа при этом выше номинального в 4,5-5-10 раз.

На основе анализа источников информации в области динамики приводов исполнительных органов горных машин нами сделан вывод о том, что в качестве предохранительного устройства следует применить устройство, содержащее дифференциальный механизм и гидравлическую машину объемного вытеснения. Это устройство наиболее полно удовлетворяет изложенным выше требованиям, при сохранении преимуществ, характерных для гидрообъемных трансмиссий приводов, в основе которых лежит двойное преобразование энергии - механической в гидравлическую (насосная станция) и гидравлической в механическую (гидромотор — исполнительный орган машины). Предлагаемая нами трансмиссия привода машины позволяет получить новое преимущество, поскольку в ней отсутствует двойное преобразование энергии, характерное для традиционного гидропривода.

Анализ принципиальных схем (рисунок 6) включения гидрообъемного предохранительного устройства (ГПУ) в механическую трансмиссию привода и их передаточных отношений свидетельствует о том, что самой предпочтительной является схема, у которой передаточное отношение от вала электродвигателя к исполнительному органу имеет самое большое значение.

Элемент дифференциала, заторможенный машиной гидрообъемного вытеснения: а - водило;

б - эпицикл (коронное колесо); в - солнечное колесо

Вариант схош вхяочеюга гнзроэшшшы > трансмиссию ИО Передаточное о панне икс отвал! электрода нгателяк:

не полните ль тму органу-Л,/

а 3,1 4,1

б 3,4 0,84

в 4,1 0,84

Рисунок 6 - Принципиальные схемы включения в механическую трансмиссию привода машины для измельчения смерзшегося инновационного гидрообъемного предохранительного устройства

Установлено, что максимальным передаточным отношением от вала электродвигателя к исполнительному органу обладает схема в (см. рисунок 6).

Наличие тяговой круглозвенной цепи в механизме подачи фрезерной машины (рисунок 7) обусловливает значительный коэффициент динамичности. Установлено, что коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины, обусловленный дополнительной динамикой якорной круглозвенной цепи, как по скорости, так и по тяговому усилию зависит только от числа зубьев г ведущей звездочки.

Принципиальная схема механизма передвижения фрезерной машины с инновационным гидрообъемным предохранительным устройством приведена на рисунке 8.

Приводной вал звёздочек в режиме «измельчение угля» получает вращение от электродвигателя 2 мощностью 9 кВт (включён конечный выключатель ВК1), подача фрезы происходит со скоростью Уи = 0,06 м/с, в этом случае расход в линии высокого давления гидромашины 3 через дроссель 5 равен kqQmax (кч - коэффициент расхода).

В конце рабочего хода включается выключатель ВК2 (режим «реверс»), полностью перекрывая дроссель 5 и реверсируя электродвигатель переменного тока 2. Гидромашина 3 останавливается, при этом скорость вращения приводных звёздочек увеличивается и реверс выполняется со скоростью Уц = 0,1 м/с.

Коэффициент динамичности якорной цепи — кдх1 механизма передвижения фрезерной машины

л

1 + соз

СОБ-

71

Чист 4>в*м мФущабмнДфчго

а - кинематика движения ведущей звездочки; б - профилировка ведущей звездочки Рисунок 7 - Зависимость коэффициента динамичности якорной цепи механизма передвижения фрезерной машипы от числа зубьев ведущей звездочки

Рисунок $ - Принципиальная схема гпдро-обьемного предохранительного устройства (ГПУ) механизма передвижения фрезерной машины: 1 ■ трехзвеннын дифференциал; 2 - электродвигатель ВРП1681; 3 - машина гидрообьемного вытеснения рабочей жидкости; 4 - аккумулятор; 5 - дроссель с регулятором давления и предохранительным клапаном; б - гндробак

Сечения дросселя 5 (см. рисунок 8) - 5 определяется по уравнению

5 =

где р - плотность рабочей жидкости, кг!м3; ИАс - установленная мощность элек-

тродвигателя ВРП 1681, при номинальном скольжении, Вт; цАс - КПД электродвигателя ВРП 1681, Г]¿с = 0,9 ; - передаточное отношение от вала электродвигателя к гидромашине = 2,06; ц - безразмерный коэффициент расхода; [Р]"3/2 - уровень настройки давления предохранительного клапана, Па.

В каждом из этих режимов предложенное в работе ГПУ может обеспечить регулирование скорости передвижения фрезерной машины (см. рисунок 8) и гарантированное ограничение ее тягового усилия с оперативно регулируемой жесткостью (собственной частотой колебания электромеханической системы привода).

В режиме «стопорение» (см. рисунок 8) срабатывает предохранительный клапан 5 и расход в линии высокого давления гидромашины 3 достигает максимального значения <2,^.

Суммарная энергоемкость Н\у - Нфр + Н\гх работы фрезерной машины по разрушению слоя смерзшегося угля определится как сумма энергоемкостей вращения режущей фрезы Н^р и ее перемещения Нц>х вдоль приемной решетки бункера:

где кдх - суммарный коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины; Оа^-чеы^ - функциональная безразмерная зависимость; кдф- коэффициент динамичности привода режущей фрезы.

Анализ зависимости (16) свидетельствует, что величину суммарной энергоемкости работы фрезерной машины по разрушению слоя смерзшегося угля кроме конструктивных (Щ Д ш) и технологических {а, сро, % /, Х(<ро'Р)) параметров в значительной мере определяет и суммарный коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины кдх, который следует определять как произведение коэффициента динамичности цепи кы и коэффициента динамич-

ТГ

а+Л0*й*+2—Л(Р0,У) >Нм/м3

Бсо

(16)

ности электромеханической системы (ЭМС) привода механизма передвижения фрезерной машины кдшс.

Система управления механизмом передвижения фрезерной машины (конструкции «КИУ - ГРЗ») не "позволяет регулировать скорость её движения как в режиме «измельчение», так и в режиме «реверс». В свою очередь, система управления механизмом передвижения фрезерной машины инновационной конструкции (рисунок 9) позволяет иметь на выходе привода виброзащитные характеристики традиционной гидрообъёмной трансмиссии и регулировать скорость движения в традиционном режиме «измельчение» и в режиме «реверс».

а - выходные характеристики Режим "реверс" фрезерной машины (ограничение тягового усилия)

б - входные характеристики Режим "измельчение" смерзшегося угля (регулирование скорости передвижения фрезерной машины) со/о», ц

Mils-*

>-мм„

Относительный момент шап (гыхо^е) ГПУ Рисунок 9 — Механические статические характеристики гадрообьемного предохранительного устройства при регулировании скорости передвижения фрезерной машины

В четвертой главе выполнено исследование тепловых и динамических процессов в гидрообъемной трансмиссии ходового механизма силовой установки комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Для оценки эффективности эксплуатации в различных режимах силовой установки фрезерной машины с гидрообъемным предохранительным устройством нами предложена математическая модель тепловых потерь - эквивалент Е (Вт) генерируемой в нем тепловой мощности. Величина вышеназванных тепловых потерь составляет разность тепловых потоков: выходящих из гидромашины и входящих в нее из бака.

Анализ зависимостей температуры рабочей жидкости в гидробаке от температуры внешней среды (воздуха) свидетельствует, что температурно-вязкостный диапазон минерального масла («Индустриальное» - И50) может быть обеспечен в режиме «реверс» фрезерной машины до максимальной температуры наружного воздуха, равной минус 17 градусам, а в режимах «стопорение» и «измельчение» -до температуры минус 35 градусов. Поэтому температура включения ^„л тепло-электронагревателя рабочей жидкости была определена как средневзвешенная температура за время цикла «измельчение - реверс» для температурно-вязкостного диапазона минерального масла (И50) от минус 7 до плюс 55 градусов.

В режиме «измельчение» смерзшегося угля поток рабочей жидкости <2вих (рисунок 10) от дренажной магистрали и от нагнетательной магистрали гидромашины через дроссель ДР поступает в гидробак.

. Средневзвешенная температура

Тепловой эквивалент генерируемой мощности г

включения теплоэлектронагревателя

Е=рс1{ \0\н - (¿¿>(1 + ра <2/? ?° - [2]„ + , Вт рабочей жидкости в режиме «измельчение - реверс» Схема тепловых потоков рабочей жидкости в (0 1 гидрообъемной трансмиссии ходового механизма К„ + Г,

силовой установки комплекса (|(/)

(Я) п ф,

28,25,''С

вшпкрвщт* вк^жакщеЬ {реЛ* 'С

^¡-ундикатор потока РЖ Ц)-термометр ^¡•манометр

Рисунок 10 — Зависимость температуры рабочей жидкости в гидробаке от температуры внешней среды при различных режимах эксплуатации фрезерной машины с гидрообъемным предохранительным устройством

В режиме «реверс» фрезерной машины поток рабочей жидкости <2вьа поступает в бак только от дренажной магистрали гидромашины.

В режиме «стопорение» режущей фрезы поток рабочей жидкости ()вых поступает в бак от дренажной магистрали и от нагнетательной магистрали гидромашины через предохранительный клапан (КП).

Наличие неголономных связей не позволяет при математическом описании гидравлической части трансмиссии механизма передвижения фрезерной машины, ограничиться уравнениями моментов. Здесь необходимо применить также уравнение расхода в линии высокого давления (рисунок 11), которое аналитически устанавливает связь между параметрами элементов гидрообъемной трансмиссии привода, а также учесть изменение объема рабочей жидкости — вследствие ее сжимаемости. На основе расчетной гидравлической схемы привода механизма передвижения фрезерной машины с гидрообъемным предохранительным устройством аналитически было получено дифференциальное уравнение, характеризующее изменение давления во времени.

0 ~£о (Р1)~ О ^ж - модуль упругости рабочей жидкости,

"" *' ' ' л VI I П Жиг (для минеральных масел составляет

Еж = 1,21 С? Н/м2);

1Уи - объем рабочей жидкости в линии высокого давления машины объемного вытеснения РЖ, находящийся под, давлением, м'; Р - индикаторное давление рабочей жидкости на выходе из насоса, Па. Ч - объемная постоянная гидромашины, м1/ ряд;

Уи, Ух - скорость механизма передвижения фрезерной машины при измельчении смерзшегося угля и при реверсе соответственно, м/с;

1ц, 1гм - передаточное отношение дифференциала и отвала гидромашины к зпициклу дифференциала соответственно.

ДР

П-

кп 1М

1 I I

'I__'__

Фф 0* (Р),1Л

ар ж] п М

. V*)

', Па/с

Рисунок 11 - Расчетная гидравлическая схема привода механизма передвижения фрезерной машины с гидрообъемиым предохранительным устройством

Для определения коэффициента динамичности привода механизма передвижения фрезерной машины нами была разработана двухмассная расчётная динамическая схема привода механизма передвижения фрезерной машины с гидрообъёмным предохранительным устройством (рисунок 12) с обобщёнными координатами (рд и (рзв и соответствующими динамическими моментами инерции /а и 1зе, разделёнными суммарной жёсткостью трансмиссии Кх с учетом уравнений,

движущего момента Мд, момента сопротивления Мс и уравнения, характеризующего изменение давления во времени, которая представляет собой математическую модель системы «фрезерная машина - слой смерзшегося угля» (уравнения движения электромеханической системы) из шести линейных однородных дифференциальных уравнений, интегрирование (моделирование) которых было выполнено методом Рунге - Кутта при начальном условии, что ускорение движения звездочки равно нулю.

Анализ результатов моделирования (решения дифференциальных уравнений) свидетельствует о том, что математическая модель системы «фрезерная машина -слой смерзшегося угля» (уравнения движения электромеханической системы) позволяет получить зависимость коэффициента динамичности от объема рабочей жидкости, находящегося под давлением (суммарной жесткости гидромеханической трансмиссии) в спектре отношения вынужденных и собственных частот колебаний нагрузки на приводной звездочке.

Динамическая схема привода механизма передвижения фрезерной машины с гидрообъемным предохранительным устройством

Уравнения движения динамической системы механизма передвижения фрезерной машины

(й л1 л л Ч л л ) Я <к л ) .. ¿Фи

ушс а

Г-=Г=-Я(Л,|ОЯП-

(д ~ 1 —момент электродвигателя, Им;

Мс—момент сопротивления на звездочке, Нм;

- динамический момент инерции ротора электродвигателя, кг-м2; 1М — динамический момент инерции звездочки и тяговой цепи, приведенный к валу электродвигателя, кг'М2; К2- суммарная жесткость гидромеханической трансмиссии, Нм/рад; ц - приведенный коэффициент демпфирования трансмиссии привода, Нс/м

Рисунок 12 - Расчетная динамическая схема привода механизма передвижения фрезерной машины с гидрообъемным предохранительным устройством

1

и \

Анализом зависимости коэффициента динамичности (амплитудно-частотной характеристики) привода механизма передвижения фрезерной машины от отношения вынужденных и собственных частот (рисунок 13) установлено, что объем

РЖ, находящегося под давлением при величине Щ/ = 0,015 м (суммарная жесткость К^ = 6,4-107 Нм/рад) практически соответствует объему РЖ, находящемуся в трубопроводах и в рабочих камерах гидромашины.

При этом отношение вынужденной и собственной частот равно /в //с = 1,24, а коэффициент динамичности составляет величину кд = 3,21.

Рисунок 13 - Коэффициент динамичности (амплитудно-частотная характеристика) привода механизма передвижения фрезерной машины

0,5 1 1.5 2 2.5

Отношение вьшуждашоЛ и сойстиспнон частот

1,4 1,3 2,6 3,0 3.4

Коэффициент динадачносш мехлшпт перщвпаянпя фретериоп машины

Математическая модель фактической удельной технической производительности

<р0 = агсСоз - ^ ^дф =1-95

Л(р0,Ч')=СоД?>0-Ч'5и|( 3600т>оги.

Пу

(1 + /1и)кдф +

Оа

т 1ч Вт

0-5! й Я 8 0.7«»м •■ЯМПа Г,

- А«ь- 0.096 м ¥-0,3 ™

/ ДII - в,095 м -й

1.4 1,3 2.2 2,6 3,0 3.4 Коэффициент динамичности механична фрезерной машины

Диапазон моделирования коэффициента динамичности механизма передвижения фрезерной машины

1.0<*а,<3,

Рисунок 14 - Зависимость фактической удельной технической производительности фрезерной машины от высоты разрушаемого слоя смерзшегося угля и коэффициента динамичности

При объеме РЖ, находящегося под давлением Жоз - 0,02 мЗ (суммарная жесткость Кг = 4,8 -107 Нм/рад) коэффициент динамичности составляет величину кд = 1,39. То есть увеличение объема РЖ, находящегося под давлением, на 33,3 % приводит к снижению коэффициента динамичности механизма передвижения фрезерной машины в 2,3 раза.

Для уяснения влияния динамичности приводов силовой установки фрезерной машины на ее производительность нами была получена математическая модель фактической удельной технической производительности (система уравнений) описывающих реальный процесс измельчения угля и учитывающий эффект «конверсии» колебаний (рисунок 14).

Моделирование с помощью программы «Ма&САО» системы уравнений (см. рисунок 14) в диапазоне высоты слоя смерзшегося угля от нуля до 76 см и в диапазоне изменения коэффициента динамичности механизма передвижения фрезерной машины от единицы до 3,4 для пластичного и хрупкого смерзшегося угля показало, что фактическая удельная техническая производительность фрезерной машины Пу (кдх, Ь, о, !Р), независимо от прочности а смерзшегося угля, для каждого значения высоты слоя (в диапазоне 0 < Ъ < 0,76) нелинейно убывает с увеличением коэффициента динамичности механизма передвижения кдх. Таким образом, установка в трансмиссии привода механизма передвижения фрезерной машины гидрообъемного предохранительного устройства позволяет целенаправленно формировать динамические характеристики электромеханической системы (амплитудно-частотную характеристику), уменьшающие уровень динамического нагружения трансмиссии, что позволяет в конечном счете увеличить производительность и межремонтный ресурс фрезерной машины в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - установления закономерностей формирования динамических параметров трансмиссии привода механизма передвижения фрезерной машины механизированного комплекса для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Установлено, что в процессе разрушения слоя смерзшегося угля на приемной решетке комплекса: статические моменты сил для разрушения слоя МР сопротивления трению Мт прямо пропорциональны прочности породы а, высоте к и ширине В слоя и величине отношения скорости передвижения Ж фрезерной машины к скорости вращения фрезы со, эффективному коэффициенту трения угля о фрезу/, а также отношению нормальной составляющей реакции слоя угля к её касательной составляющей ¥ и обратно пропорциональны углу контакта режущей фрезы <р0 со слоем смерзшегося угля на приемной решетке; статическая сила сопротивления движению фрезерной машины ^ прямо пропорциональна прочности породы а, высоте И и ширине В слоя, величине отношения скорости движения IV фрезерной машины к скорости вращения фрезы а> и безразмерному функционалу я(р0,1Р) и обратно пропорциональна углу контакта

режущей фрезы гр0 со слоем смерзшегося угля.

2. Установлено, что в качестве предохранительного устройства следует применить устройство, содержащее дифференциальный механизм и гидравлическую машину объемного вытеснения рабочей жидкости. Такое устройство сохраняет преимущества гидрообъемных трансмиссий (в основе которых лежит двойное преобразование энергии - механической в гидравлическую и гидравлической в механическую) и позволяет избежать двойного преобразования энергии, характерного для традиционного гидропривода.

3. Установлено, что коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины, обусловленный дополнительной динамикой якорной круг-лозвенной цепи, как по скорости, так и по тяговому усилию зависит только от числа зубьев г ведущей звездочки, а суммарный коэффициент динамичности кдх механизма передвижения фрезерной машины следует определять как произведение коэффициента динамичности цепи кш и коэффициента динамичности электромеханической системы (ЭМС) привода механизма передвижения фрезерной машины кц эмс.

4. Разработана принципиальная схема гидрообъемного предохранительного устройства механизма передвижения фрезерной машины, представляющая собой реверсивный планетарный цилиндрический редуктор с гидрообъемной системой торможения эпицикла, способная эксплуатироваться в двух режимах: «измельчение» смерзшегося угля с рабочей скоростью Уи; «реверс» фрезерной машины

с маневровой скоростью Ук . В каждом из этих режимов ГПУ может обеспечить регулирование скорости передвижения фрезерной машины и гарантированное ограничение ее тягового усилия с оперативно регулируемой жесткостью.

5. Основные результаты диссертационной работы нашли применение в про-ектно-конструкторских разработках ООО «ГИДРОГОРМАШ» по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций комплексов по измельчению смерзшегося и негабаритного угля, а также будут использованы в научно-технических разработках конструкторского бюро в 2012-2014гг.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах, опубликованных:

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1.Райханова, Г.Б. Силовая установка механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля / Л.И. Кантович, Г.Е. Райханова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно - технический журнал). - 2010. - №3. -С. 320-322.

2.Райханова, Г.Е. Влияние характеристик силовой установки на производительность механизированного комплекса измельчения смерзшегося угля. / Л.И. Кантович, Г.Е. Райханова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно - технический журнал). - 2010. - №.5. - С. 334-337.

и в других изданиях:

3.Райханова, Г.Е. Механизированный комплекс для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива / ЛИ. Кантович, Г.Е Райханова, А.А. Федоров // Сборник научных докладов «Научно-техническое творчество молодежи -путь к обществу, основанному на знаниях». — М.: Изд-во МГСУ, 2008. - С. 174177.

4.Райханова, Г.Е. Динамические особенности силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля / Л.И. Кантович, Г.Е Райханова // Материалы международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития». - Навои, Изд-во НГМК, 2010. - С. 177- 178.

Подписано в печать 9/_ ¿С^и^ 2011 Объем 1 пл. Тираж 100 экз.

Формат 60x90/16 Заказ №

ОИУПМосковского государственного горного университета. Москва, Ленинский проспект, 6

Введение.

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

Современное состояние и перспективы развития конструкций машин для измельчения смерзшегося угля.

Современное состояние конструкции силового оборудования горных машин.

1.3 Цель, задачи и алгоритм исследования.

Выводы по главе.

Закономерности формирования сил сопротивления при разрушении смерзшегося угля. ^ Кинематические особенности процесса разрушения слоя смерзшегося крупнокускового угля режущей фрезой.

Формирование момента сопротивления вращению при фрезеровании слоя смерзшегося угля.

Влияние технологических, кинематических и силовых параметров 2.3 фрезерной машины комплекса для измельчения смерзшегося угля на ее техническую производительность.

Выводы по главе.

Основы расчета гидрообъемных трансмиссии «дифференциал гидромашина».

Сравнительный анализ параметров предохранительных устройств муфт).

3.2 Сравнительный анализ параметров гидрообъемных трансмиссии.

Статические и динамические параметры гидрообъемной трансмиссии дифференциал - гидромашина».

Выводы по главе.

Исследование тепловых и динамических процессов в гидрообъемной трансмиссии ходового механизма силовой установки комплекса для измельчения смерзшегося угля. Математическая модель тепловых процессов в гидрообъемной трансмиссии ходового механизма силовой установки комплекса. Динамические особенности силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Математическая модель системы «фрезерная машина — слой смерзшегося угля» (уравнения движения электромеханической системы).

Выводы по главе.

Актуальность работы. Ежегодно в Российской Федерации железнодорожным транспортом перевозится около трехсот миллионов тонн углей для тепловых электростанций и коксохимических заводов металлургических комбинатов. В энергетике стоимость угольного топлива может достигать до 65%, причем стоимость приёма, разгрузки и измельчения твердого топлива может достигать 8-И0% стоимости выработанной электроэнергии.

Для полного сжигания уголь должен подаваться в углесжигающий агрегат в пылевидном состоянии. Уголь первоначально измельчается на дробильных установках до размеров не более 350 мм. Однако при добыче угля мощными одноковшовыми и роторными экскаваторами на тепловые электростанции во все периоды года поступают негабариты угля размером 600-И 500 мм и более. Угольное топливо при перевозке в зимний период постоянно смерзается как в условиях восточных районов России, так и в условиях относительно мягкого климата её европейской части. Поэтому разгрузка железнодорожных вагонов, в которых уголь доставляется потребителю для его дальнейшей переработки или сжигания весьма трудоемка и энергозатратна. Известные химические способы предотвращения смерзания угольного топлива сегодня не нашли практического применения.

В настоящее время для восстановления сыпучести угля используются: механическое рыхление, тепловой разогрев и первичное измельчение. Первичное измельчение производится при сверхнормативной крупности угля до размера кусков 200-К300 мм, которые дробятся и затем подаются в шаровые мельницы для тонкого измельчения.

Сегодня ещё на многих предприятиях для предварительного (первичного) измельчения используется малопроизводительный и тяжелый труд рабочих, разрушающих смерзшееся и негабаритное угольное топливо при помощи отбойных молотков. Более эффективными для первичного измельчения смерзшегося и крупногабаритного угольного топлива оказались дробильно-фрезерные машины, разработанные в 70-е годы. К началу 90-х годов прошлого века свыше, 330 дробильно-фрезерных машин типа ДМФ-П и модернизированных ДМФ-ПА уже работали на 105 электростанциях, оборудованных вагоноопрокидывателями. В последние годы этого века разработан и внедрен механизированный комплекс для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива с электрической силовой установкой. Первый опыт его эксплуатации на электростанциях показал низкую стойкость (долговечность) вооружения рабочего органа, якорных тяговых цепей его подачи и элементов трансмиссии и, как следствие, снижение эксплуатационной производительности комплекса за счет высокой динамики нагрузки на его элементы. Поэтому вопросы улучшения динамических характеристик трансмиссии приводов рабочего органа (силовой установки) остаются актуальными, а обоснование и выбор параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля является актуальной научной задачей.

Цель работы - это установление закономерностей формирования сил сопротивления при измельчении слоя топлива для обоснования" и выбора рациональных динамических параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Идея работы заключается в минимизации динамических нагрузок в трансмиссиях силовой установки за счет целенаправленного формирования механических статических и динамических характеристик привода подачи рабочего органа фрезерной машины для измельчения смерзшегося угля.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались основные положения механики твердого тела, жидкости, теории надежности, системного анализа и математического моделирования с использованием пакета прикладной программы МаШСАО.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна: • техническая производительность механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля при его заданных конструктивных и энергетических параметрах имеет нелинейную зависимость не только от технологических, но и от динамических характеристик приводов вращения и подачи рабочего органа фрезерной машины;

• суммарный коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины следует определять как произведение коэффициента динамичности цепи и коэффициента динамичности электромеханической системы (ЭМС) привода;

• математическая модель «слой смерзшегося угля - рабочий орган — трансмиссия — привод», отличающаяся возможностью формировать статические и динамические характеристики электрической силовой установки, аналогичные характеристикам объемного гидропривода в режиме номинального нагружения при измельчении угля и в режиме стопорения рабочего органа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на применении современных научных методов исследований, включающих: аналитические исследования с использованием фундаментальных положений теоретической механики твердого тела и жидкостей; математическое моделирование и системный анализ процесса нагружения силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля и достаточную сходимость результатов аналитических и экспериментальных исследований, составляющую 80% при 15%-ной относительной ошибке.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели электрогидромеханической системы силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля и установлении зависимостей её технологического нагружения в номинальном режиме и в режиме стопорения рабочего органа от: физико-механических свойств смерзшегося угольного топлива; уровня установленных мощностей приводов вращения и подачи рабочего органа; длительности технологического цикла измельчения слоя угольного топлива; жесткостных и демпфирующих параметров электрогидромеханической системы.

Практическое значение исследования состоит в разработке методики расчета и выбора рациональных динамических параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля в режиме номинального нагружения при измельчении угля и в режиме стопорения рабочего органа, а также в разработке технических требований на модернизацию электрической силовой установки для придания ей характеристик, аналогичных характеристикам объемного гидропривода.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты диссертационной работы приняты к использованию в ООО «ГИДРОГОРМАШ» в 2012-2014 гг. при совершенствовании существующих и создании инновационных конструкций комплексов по измельчению смерзшегося и негабаритного угля в научно-технических разработках конструкторского бюро.

Личный вклад автора состоит:

• в установлении кинематических особенностей процесса разрушения слоя смерзшегося и крупнокускового угля режущей фрезой;

• в теоретических исследованиях закономерностей формирования сил сопротивления при разрушении смерзшегося угля;

• в исследовании тепловых и динамических процессов в гидрообъемной трансмиссии ходового механизма силовой установки комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Апробация работы. Основные положения работы были обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (2008-2011гг., Москва, МГГУ); на научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (2008 г., Москва, ВДНХ -НТТМ); на международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития» (12-14 мая 2010 г., г. Навои, Республика Узбекистан) и на научных семинарах кафедры ГМО МГГУ (2008-2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре статьи, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 100 наименований и включает 36 рисунков и 6 таблиц.

5. Основные результаты диссертационной работы нашли применение в проектно-конструкторских разработках ООО «ГИДРОГОРМАШ» по совершенствованию существующих и созданию, инновационных конструкций комплексов по измельчению смерзшегося и негабаритного угля, а также будут использованы в научно-технических разработках конструкторского бюро в 2012-2014гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи — установления закономерностей формирования динамических параметров трансмиссии привода механизма передвижения фрезерной машины механизированного комплекса для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Установлено, что в процессе разрушения слоя смерзшегося угля на приемной решетке комплекса: статические моменты сил для разрушения слоя Мр сопротивления, трению Мт прямо пропорциональны прочности породы а, высоте к и ширине В слоя и величине отношения скорости передвижения Ж фрезерной) машины к скорости вращения фрезы со, эффективному коэффициенту трения угля о фрезу /, а также отношению нормальной составляющей реакции слоя углжк её касательной составляющей ¥ и обратно пропорциональны углу контакта режущей фрезы <р0 со слоем смерзшегося угля на приемной, решетке; статическая сила сопротивления» движению фрезерной машины Ех прямо пропорциональна прочности породы а, высоте И и ширине В слоя, величине отношения скорости движения Ж фрезерной машины к скорости вращения фрезы со и безразмерному функционалу и обратно пропорциональна углу контакта режущей фрезы (р0 со слоем смерзшегося угля.

2. Установлено, что в качестве предохранительного устройства следует применить устройство, содержащее дифференциальный механизм и гидравлическую машину объемного вытеснения рабочей жидкости. Такое устройство сохраняет преимущества гидрообъемных трансмиссий (в основе которых лежит двойное преобразование энергии — механической в гидравлическую и гидравлической в механическую) и позволяет избежать двойного преобразования энергии, характерного для традиционного гидропривода.

3. Установлено, что коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины, обусловленный дополнительной динамикой якорной круглозвенной цепи, как по скорости, так и по тяговому усилию зависит только от числа зубьев г ведущей звездочки, а суммарный коэффициент динамичности кдх механизма передвижения фрезерной машины следует определять как произведение коэффициента динамичности цепи кдх1 и коэффициента динамичности электромеханической системы (ЭМС) привода механизма передвижения фрезерной машины кдЭМС.

4. Разработана принципиальная схема гидрообъемного предохранительного устройства механизма передвижения фрезерной машины, представляющая собой реверсивный планетарный цилиндрический редуктор1 с гидрообъемной системой' торможения эпицикла, способная эксплуатироваться в двух режимах: «измельчение» смерзшегося' угля с рабочей скоростью Уи; «реверс» фрезерной машины1 с маневровой скоростью Уц . В каждом из этих режимов ГПУ может обеспечить регулирование скорости* передвижения фрезерной машины и гарантированное ограничение ее тягового усилия с оперативно регулируемой жесткостью.

1. J.P. Den Hartog. Mechanical vibrations. New York, Toronto, London. Mc. GRAW — PULL BOOK COMPANY, INC, 1956, pp 580.

2. Л.Б. Гейлер. Электропривод в тяжелом машиностроении. M.: «МАПТГИЗ», 1958, 580 с.

3. Н.Г. Домбровский, Ы.В. Мельников, Б.И. Сатовский, Б. А. Симкин. Оборудование для открытых горных разработок за рубежом. М.: «Недра», 1961, 198 с.

4. В.Н. Хорин. Гидропривод забойного оборудования. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы!по горному делу, 1963, 408 е., с ил.

5. H.H. Книге. О" связи физико-механических свойств грунтов с удельными сопротивлениями копанию роторными экскаваторами // Строительные и дорожные машины. №1 — М.: «Стройиздат», 1965, С 17-21.

6. Сб. трудов ИГД им. A.A. Скочинского, Разрушение горных пород механическими способами./ Под ред. д т н Л.И. Барона и А.И. Берона, М.: Издательство. «Наука»; 1966 - 278 с.

7. Л.О. Горцакалян, М.В. Мурашов, Б.П. Нажесткин, Л.И. Самсонов. Сборник задач по теории и расчету торфяных машин: Под ред. д-р техн. наук, проф С.Г. Солопова-М.:Недра, 1966.

8. Филимонов H.A. Горные машины для открытых работ.- М.: изд-во «Недра», 1967, 304 с.

9. В.В. Ржевский. Технология и комплексная механизация открытых горных работ. — М.: Издательство «Недра», 1968, 639 с.

10. В.Н. Репин. Исследование надежности срабатывания защитного устройства от перегрузок для горных машин. Автореферат канд. дисс., 1968, 14с.

11. Р.Ю. Подерни. Угольная промышленность США. Изд-во «Недра», 1968, 187 с.

12. N. Melnikov, M. Chesnokov. Safety in opencast mining. Mir Publishers Moscow 1969. pp 391.13