автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор рациональных параметров колесно-колодочного тормоза шахтных локомотивов с секционной тормозной колодкой

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

\У\о

ТАРАН ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 622.625.28

ОБГРУНТУВАННЯ ТА ВИБІР РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ КОЛЕСНО - КОЛОДКОВОГО ГАЛЬМА ШАХТНИХ ЛОКОМОТИВІВ З СЕКЦІЙНОЮ ГАЛЬМОВОЮ КОЛОДКОЮ

Спеціальність: 05.05.06 - “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі рудникового транспорту Національної гірш академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Ширін Леонід НікіфороЕ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Самуся Володимир Іл.

Провідна установа: Донецький державний технічний університет Міністерс освіти та науки України, кафедра гірничо-заводського транспорту і логістики.

Захист відбудеться “ 29 ” листопада 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізс ної вченої ради Д 08.080.06 при Національній гірничій академії Укра Міністерства освіти і науки України, за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої акад( України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Автореферат розісланий “ 29 " жовтня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

Національна гірнича академія України Міністерства осі і науки України, завідувач кафедри рудников транспорту’ (м. Дніпропетровськ).

Національна гірнича академія України Міністерства осі і науки України, завідувач кафедри гірничої мехаїі (м. Дніпропетровськ),

кандидат технічних наук Максютенко Валерій Юрійої завідувач відділу фізико-механічних основ гірнич транспорту Інститута геотехнічної механіки НАН Укра (м. Дніпропетровськ).

кандидат технічних наук

О.В. Анциферов

Актуальність теми. Ефективність підземного видобування вугілля на шахтах раїни залежить від досконалості транспортних схем та експлуатаційних эактеристик засобів транспорту. З упровадженням механізованих очисних мплексів нового покоління значною мірою змінилися параметри систем зробки та проведення підготовчих робіт. Зі збільшенням довжини виробок івищилися протяжність транспортування, величини та інтенсивність ітажопотоків, що визначає вибір виду транспорту.

Незважаючи на широке розповсюдження безперервного транспорту, в наш : переважаючим видом транспорту на горизонтальних виробках вугільних і лійкових шахт є локомотивна відкатка. Одним з основних параметрів, які ¡актеризують безпечність шахтної електровозної відкатки, є довжина шляху ¡треного гальмування. Існуючі нині тенденції підвищення продуктивності «водять до збільшення швидкості руху і ваги поїздів, екстрена зупинка яких необхідній за нормами безпеки відстані (40м - для вантажних, 20м - для :ажирських) можлива лише при реалізації відповідної гальмової сили.

В рудникових потягах причіпна частина гальмовими засобами не обладнана, іу гальмові можливості потягу визначаються лише гальмовою силою, яка лізується електровозом. На підземних рейкових шляхах, які відрізняються юстійністю профілю та часто порівняно великими ухилами, маса потягу іежується гальмовими можливостями локомотиву. У зв’язку з цим граничні ьмові можливості (реалізація граничної сили гальмування, за умовами плення локомотиву з рейкою) - досить важливий параметр, що часто обмежує іазон застосування локомотивної відкатки.

Заведено вважати, що підземний електровоз повинен мати три незалежні види ьма: колодкове з ручним і механізованим приводами, електродинамічне эстатне гальмування тяговими двигунами) і рейкове електромагнітне. На ктиці часто ці загальнозаведені думки не підтверджуються. За відомостями К “Павлоградвугілля” на 01.01.99р., з 136 локомотивів 106 (78% - локомотиви [8Д та 2АМ8Д) обладнані колодковими гальмами з ручним приводом, 20 ,7% - електровози К10, К14) - колодковим гальмом з ручним та пневматичним водом, і лише 10 (7,3% - електровози АРП10 та АРП14) мають, крім того, кові електромагнітні гальма. На всіх електровозах використовується ктродинамічне гальмування, рекомендоване до застосування лише, коли цюють обидва тягові електродвигуни та швидкість електровозу не менше ніж і м/с (2км/г). Для остаточної зупинки локомотиву застосовується колодкове змо. За відомостями ВО “Красноармійськвугілля” на 01.4.99р., 54%

омотивного парку складають електровози АМ8Д та електровози 7АРВ; 44,5% -провози К10 таК14 і лише 1,5% - електровози АРП10.

Як видно, найбільше застосування на рудникових локомотивах вугільних т, як службові, мають колесно-колодкові гальма, які повинні забезпечувати зхідні параметри режиму гальмування, тобто максимальну силу гальмування зчепленню. Основна проблема, яка далеко не завжди дозволяє ефективно

застосовувати таке гальмо - нестабільність характеристики гальмової сили, які формується гальмовою колодкою, при змінній швидкості руху локомотиву. Сам< ця нестабільність на практиці не дозволяє здійснити ефективне (якісне гальмування, тому зчіпні спроможності колес з рейками аб( недовикористовуються, або здійснюється гальмування юзом.

Відомо, що гальмова сила, яка створюється колодковим гальмом, не повинн; перевершувати граничної сили зчеплення колеса з рейкою, щоб уникнуті заклинювання колеса (юз). Без’юзове гальмування перевіряється в інженерни: розрахунках за умови статичної рівноваги колесної пари. Відомі методі проектування гальмових (фрикційних) вузлів реалізують ідеалізовану динамічн; модель гальмового механізму з жорсткими ланками та гіпотезу Амонтона-Кулон; про незалежність сили тертя від швидкості ковзання. Недосконалість геометрі бандажа та колодки, постійні зміни умов взаємодії, вплив численних випадкови: факторів не дозволяють забезпечити існуючими колодками стабільну гальмов; силу локомотиву, зумовлюючи зниження надійності та безпечності роботі локомотивного транспорту.

Обгрунтування та розробка адаптивної конструкції гальмових колодок, щ< забезпечують підвищення ефективності й безпечності гальмування рудникови; локомотивів, відповідає міжгалузевій програмі “Створення високотехнологічни: схем і засобів шахтного транспорту” і підтверджує важливість наукової задачі актуальної для вугільної промисловості України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні робота - складова досліджень, що виконує кафедра рудникового транспорт; згідно з планом НГА України в рамках договору №010535 “Удосконалена транспортно-технологічних схем шахт ВО “Красноармійськвугілля” на баз оптимізації параметрів транспорту” від 02.01.95р.

Мета роботи і завдання дослідження. Розробка засобів стабілізаці експлуатаційних характеристик гальма шахтних локомотивів для підвшценн: ефективності гальмового режиму, безпеки та продуктивності локомотивно відкатки.

Для релізації мети в роботі поставлені такі завдання:

1. Аналітично визначити вплив параметрів процесу гальмування на величин; гальмового шляху.

2. Встановити вплив теплових потоків та параметрів динамічних процесів протікаючих при взаємодії гальмової колодки з колесом, на механічні т; фрикційні характеристики пари тертя.

3. Визначити основні параметри процесу взаємодії секційної гальмово колодки з колесом рудникового локомотиву.

4. Обгрунтувати та провести вибір раціональних конструктивних параметрі; секційної гальмової колодки, яка забезпечує стабільність сили тертя при змін швидкості руху та нестаціонарному зусиллі притискання гальмової колодки ді колеса.

Об’єкт дослідження - процес взаємодії гальмової колодки з колесом шахтноп локомотиву.

Предмет дослідження - колесно-колодкове (з секційною колодкою) гальмо іахтного локомотиву.

Гдея роботи полягає у підвищенні ефективності гальмування шахтних окомотивів секційними гальмовими колодками, які забезпечують зниження пливу на коефіцієнт тертя швидкості руху і тиску в контакті тертя.

Методи дослідження. Узагальнення й аналіз результатів літературних джерел, :оретичні та експериментальні дослідження.

Вплив параметрів процесу гальмування на гальмовий шлях досліджено з ^користанням закону зберігання енергії. Вплив теплових потоків та фрикційні тастивоеті пар тертя досліджено за методами теорії теплопровідності і грмодинаміки, а параметрів динамічних процесів - методом теорії коливань з ікористанням основних законів і положень теорії пружності та теорії броударних систем. Теоретичні дослідження грунтуються на застосуванні етодів математичного моделювання, функціонального аналізу, теорії їференційних рівнянь, чисельних та ітераційних методів рішення.

Експериментальні дослідження виконано за методикою повного факторного ссперименту, обробка результатів - методиками математичної статистики.

Основні наукові положення, що виносяться на захист.

1. Збільшення ефективності гальмового режиму шляхом стабілізації екс-іуатаційних характеристик гальмування досягається запропонованим в роботі )вим типом гальмової системи, яка має якісний тепловідвід і більш стабільну ¡личину коефіцієнту тертя при змінній швидкості руху та тиску колодки на тесо.

2. Нестаціонарні флуктуруючі температурні поля в зоні взаємодії існуючих рикційних пар утворюють (за рахунок термопружної нестійкості) додатковий рмічний тиск колодки на колесо, величина якого перевищує середню величину панічного, суттєво залежить від механічних і теплофізичних параметрів ітеріалів фрикційної пари, і є однією з головних причин, що не дозволяють зективно реалізувати граничну силу зчеплення колеса з рейкою під час стреного гальмування.

3. Стабілізація сили та коефіцієнту тертя досягається застосуванням гальмової їлодки, розділеної на окремі секції, які мають такі розрахункові значення зрсткості, що забезпечують гасіння коливань колодки, через неідеальну іверхню катання колеса, а також інтенсивним тепловідводом.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень досягається коректністю 'ставлених завдань на кожному етапі роботи; використанням допущень, які ичайно застосовуються у подібних дослідженнях; застосуванням апробованих : тоді в розв’язання диференційних рівнянь, які описують поведінку фрикційного зла; застосуванням під час проведення експериментальних досліджень індартної апаратури та перевірених методів обробки результатів; прийнятною іжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблена уточнена фізико-математична модель руху рудникового потягу умовах гальмування та вперше отримано аналітичне рішення для розрахунку

гальмового шляху з врахуванням комплексних, (механічних і теплофізичні: параметрів процесу взаємодії гальмової колодки з колесом локомотива.

2. Вперше розв’язанням нестаціонарного рівняння теплопровідності граничними умовами Барбера, які враховують додаткове притискання колод через нагрівання, пояснено відомий феномен посиленого локального зно існуючих колодок.

3. Вперше обгрунтовано, що для визначення раціональних параметр конструкції секційної колодки необхідно застосовувати методи, і використовуються в теорії віброударних систем, що враховують обмежен переміщення маси секцій колодки в умовах пружно-пластичної взаємодії дозволяють отримати ан&іітичні залежності жорсткості пружного середовища і маси секцій і величини геометричних недосконалостей поверхні катання колеса

4. Експериментально встановлено, що секційна гальмова колодка розрахунковими значеннями маси і параметрів пружного зв’язку з корпусо отриманими в результаті теоретичних досліджень, має більш стабільну кінетичі характеристику тертя порівняно з серійною колодкою та дозволяє поліпши ефективність гальмування.

Наукове значення роботи полягає:

- у теоретичному обгрунтуванні та експериментальному підтверджен залежності коефіцієнту тертя від механічних і теплофізичних властивості фрикційних пар (колодкове гальмо підземного електровозу), визначенні ступен впливу величини геометричних недосконалостей поверхні катання колеса і параметри теплових і динамічних процесів, які відбуваються у фрикційній парі, умовах термопружної нестійкості, що дозволило стабілізувати коефіцієнт тер гальмової колодки об поверхню катання колеса шляхом її секціонування заданими конструктивними параметрами;

- в обгрунтуванні раціональних жорсткісних характеристик пружно середовища, формуючого коливання секцій гальмової колодки та гарантуючо заглушування під час взаємодії віброударних процесів, які зумовлюю заклинювання колеса (юз) при гальмуванні.

Практичне значення полягає:

- у розробці науково обгрунтованої інженерної методики розрахунку вибору раціональних конструктивних параметрів секційної гальмової колод) шахтного локомотиву, що враховує збільшення загального тиску, зумовлено термопружною нестійкістю;

- у розробці та випробуванні у шахтних умовах дослідного зразка секційн гальмової колодки, який спроектовано за зазначеною методикою.

Особистий внесок здобувана полягає у зазначенні мети та ідеї робот формулюванні задач дослідження та наукових положень, виборі метод дослідження, проведенні розрахунково-теоретичного моделювання та експ риментальних досліджень, обробці, аналізі та узагальненні отриманих резул татів; пошукачем зроблено висновки і розроблено методичні рекомендації що; застосування результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної робо:

оповідалися на: міжнародних наукових конференціях “Сучасні шляхи розвитку ірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини” (м. Дніпро-етровськ, Державна гірнича академія України, 1996, 1997); ювілейній науково-ехнічній конференції “Сучасні проблеми транспорту в гірничому виробництві”, рисвяченій 75-річчю кафедри рудникового транспорту НГА України (м. Дні-ропетровськ, 1997) і на міжкафедральному семінарі в НГА України (2000).

Реалізація результатів роботи. Результати дисертації впроваджені у вигляді шенерної “Методики розрахунку та вибору раціональних конструктивних араметрів секційної гальмової колодки шахтного локомотива” та технічних ропозишях на їх розробку, що схвалені заводами ДМЗ (м. Дружківка), НВО ¡ЕВЗ (м. Дніпропетровськ), ВО “Луганськтепловоз”, а також Українським пектровозобудівним НДІ (м. Дніпропетровськ). Рекомендації щодо вибору аціональних параметрів використані ДРМЗ ВО “Красноармійськвугілля” (м. Дніпрово) у виготовленні дослідної партії гальмових колодок. Методичні екомендації схвалені головним інститутом з безпеки МакНДІ та рекомендовані

о використання під час розробки галузевих нормативних документів,

В подальшому результати заплановано використовувати у створенні ерспективних швидкодіючих гальмових систем шахтних локомотивів, провадження результатів роботи має соціальний ефект за рахунок підвищення родуктивності та безпеки праці на рейковому транспорті шахт для усунення зарій через відмову гальмових засобів.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 11 статтях (9 статей в провідних фахових виданнях, 2 - тези доповідей на конференціях), та 2 ітентах України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох ззділів, висновків, списку використаних джерел з 133 назв, містить 171 сторінку ашинописного тексту, у тому числі 55 рисунків, 4 таблиці та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ. Серед різних видів підземного транспорту в магістральних іризонтальних виробках локомотивний транспорт складає близько 70%. Для :зпеки руху, локомотив рудникового потягу устатковують, як правило, >лодковими гальмами, параметри і системи управління якими мають безпечити потрібний режим гальмування, зумовлений силою зчеплення колеса і :йки. Дослідження, пов’язані з формуванням гальмової сили в магістральних та юмислових локомотивах, відображено у роботах: М.П. Петрова, С.А. шлигіна, Ф.М. Бабічкова, Б.Л. Карвацького, Л.М. Пижевича, В.А. Лазаряна, Ф. Ушкалова, В.П. Єсаулова, A.B. Чичинадзе, С.Ф. Редько, С.Є. Блохіна та »слідовників їх наукових шкіл.

Значний внесок у вивчанні питань реалізації гальмової сили шахтними ікомотивами доклали А.О. Співаковський, С.А. Волотковський, Б.О. Кузнецов,

О. Ренгевич, М.С. Поляков, Є.Є. Новіков, П.С. Шахтар, В.В. Мішин.

Сьогодні на більшості шахтних локомотивів застосовують чавунні гальмові

колодки, суттєвий недолік яких - значне збільшення коефіцієнту тертя з зменшенням швидкості та залежність його від тиску. Це часто не дає змоп забезпечити такий режим гальмування, за яким якомога повніше £ використовувались можливості по зчепленню локомотиву з рейками, та в інши> подібних обставинах зменшився б шлях гальмування.

Виходячи з цього, дослідження, спрямовані на обгрунтування раціональнії.' параметрів колесно-колодкового гальма шахтних локомотивів і модернізацій: гальмової колодки, сприятимуть поліпшенню гальмових характеристик збільшенню швидкості руху, що визначає можливість підвищенні продуктивності та безпеки локомотивної відкатки.

З аналізу попередніх досліджень сформульовані мета і завдання роботи.

Другий розділ присвячено дослідженню взаємодії гальмової колодки т; колеса з метою встановлення вирішувальних факторів, які впливають ш коефіцієнт тертя.

Один з основних параметрів, який характеризує безпеку експлуатаці шахтного локомотивного транспорту - величина гальмового шляху. Оцінкг величини гальмового шляху Б відповідно до отриманої формули (1) дозволиш встановити, що для збільшення масозавантаження составу за існуючих нор.ч величин гальмового шляху необхідна розробка такого типу гальмової системи який має якісний тепловідвід та стабільну величину коефіцієнта тертя і залежності від швидкості з нестаціонарним зусиллям притискання гальмово колодки до колеса.

_ У2а-Ч(Р,ф

С^+^ск

(1)

де V - швидкість руху; q - тепловий потік; Р - зусилля притискання гальмово колодки до колеса; І - час гальмування; ґк та ґск - коефіцієнти тертя котіння ті сковзання відповідно; а, Ь, с, сі - коефіцієнти.

Подальше дослідження проводилося за двома напрямками:

1. Вплив теплових потоків на механічні та фрикційні властивості пар тертя.

2. Дослідження параметрів динамічних процесів, які відбуваються у взаємоді гальмової колодки з колесом.

Під час взаємодії поверхонь фрикційних пар на ділянках, де спостерігаютьс: спалахи температури, температура “гарячих плям” значно перевищує середню що призводить до концентрації тиску, отже, до фрикційного тепловиділення Ні окремих ділянках поверхні контакту. Як наслідок підвищення градієнт; температур на поверхні ковзання, висота шорсткостей зростає як функцій температури. У цьому випадку загальний тиск буде адитивним та складатиметься із ізотермічного (зумовленого лише суто механічним притисканням колодки), т; термічного, зумовленого температурним ростом висоти шорсткостей. Яі встановлено, функція (2), яка характеризує відношення термічного тиску ді середнього, має розрив при критичній швидкості сковзаній (3), ділянка займан; критичними швидкостями для сталі та чавуну, розміщена в діапазоні 0,1 - 1м/с та із збільшенням коефіцієнту тертя зменшується.

p* _ л:Е6/Хр __ P 1 - cfVEMtor ’

де E - модуль Юнга; A. - довжина хвилі; f - коефіцієнт тертя; с - коефіцієнт, кий враховує величину викривлення пружного полупростору; V - швидкість ереміщення; р -термичний тиск; р- середній тиск.

Vc=4rt2/cfEX. (3)

Неравномірний розподіл тиску, зумовлений флуктуаційною складовою Р , ризводить до формування неравномірного (нестаціонарного) теплового потоку а нестаціонарного розподілу температури як по поверхні взаємодії фрикційних ар, так і в кожній точці взаємодії. У цьому випадку лінійна зміна температур має ідовольняти нерівності Барбера. У даному діапазоні різниць температур гаціонарне розв’язання рівнянь теплопровідності неможливе.

У більшості вітчизняних праць стосовно вивчення розподілу температур цей акт не враховувався, та у рівняннях теплопровідності тепловий потік (джерело ;пла) приймався постійним без врахування граничних умов Барбера:

5/а 1о < Д© < 2 5/а 1о, (4)

де 1о - первісний зазор між колесом та гальмовою колодкою, зумовлений юрсткістто; 5 - первісна висота нерівності.

На рис. 1 подано розв’язання, методом розділу перемінних, рівняння лілопровідності (5), з питомою тепловою потужністю як функцією часу

і = й0(і + е~кт • sinm t) з крайовими умовами: 0(О)=То; 0(t)=Tn,

— = aV20 + —, (5)

дх QC

де 3 - питома вага; а - коефіцієнт температуропровідності; с - теплоємкість;

- щільність.

Рис. 1. Зміна температури нагрівання колодки при гальмовому натисканні 11,5 кН: Уі, V,, У3 -швидкості ковзання 1,2,3 м/с, відповідно; У'і.У'г.У'з - експериментальні значення; V, охл и V', окл -з вимушеним охолодженням.

о

0,25

0,5

0,75 т/іт

Як виходить з графіків, у динамічному контакті двох тертьових поверхс шорсткість будь-якого ступеню призводить до формування керівномірн розподілу тисків, а відповідно, до коливання температур, амплітуда яких ■ вище, чим більше довжина хвилі різного виду нерівностей. Таким чин розв’язуючи задачі теплопровідності для находження, розподілу поля темпера фрикціона, тепловий потік необхідно приймати як нестаціонарну функ координат та часу.

На рис. 2 подані результати розрахунку температури в глибину фрикціоні глибину 5 • 10 'м - за 30с, з крайовими умовами: Т( х, 0 ) = f(x),

’ " 5Т(0,т)

дх

дх

• = 0

Т,°С 0/Єт

200

140

80

20

Рис. 2. Графік залежності розподілу відносної температури від поточних величин час) координат«.

Розв’язання проведено методом інтегральних перетворювань. З граф видно, що на поверхні фрикціона спостерігається підвищення модульова температури, яка пов'язана з сінусоїдальними коливаннями, які на глибі виполажуються, а їх зростання відбувається за експоненційною залежністю.

Таким чином дослідження температури поверхонь фрикційних г нестаціонарного теплового потоку показали, що для зниження температурі амплітуди коливань, необхідно проводити заходи, зв'язані зі збільшенн тепловідводу, що може бути забезпечено або вибором матеріалу гальмоі колодки з великим коефіцієнтом теплопровідності або збільшенням величи тепловідводячої площі фрикціону.

Для встановлення однієї з основних теплофізичних величин, ] характеризують кількісні параметри формування розповсюдження теплов полів у фрикційних парах та з'ясування поля температур як на колесі, так і гальмовій колодці, розв’язувалась система рівнянь (6) теплопровідності, і стосується колеса та колодки, для одномірного випадку з крайовими умоваї першого та другого роду.

¿ГГ

¿гг,

(б)

де Т, я T, - поточні температури па колесі та гальмової колодці.

В результаті розв’язання системи рівнянь апробованим метолом інтегральних еретворювань, а саме косинус-перетворгованням Фур'є, отримано аналітичний ираз коефіцієнту розподілу теплових потоків для колеса та гальмової колодки.

Розрахунки коефіцієнтів розподілу теплових потоків, за даними формулами, оказали, що при температурах до 100 °С значення «ш практично збігалися з езультатами розрахунків, наведених у работах Крагельського, Чичинадзе, Іижевича. Однак, починаючи з температури нагрівання 100 °С величина апі ідрізнялася в 2-3 рази від вказаних розрахунків. Це поясшовасться тим фактом, ю ряд авторів враховували лише теплофізичні характеристики фрикційних іатериалів, та не враховували величини поточних температур, гальмових зусиль а швидкості як функцій. Встановлено, що падіння температури в результаті холодженая - функція не монотонна, а має розрив по площині торкання колеса а гальмової колодки. Аналіз результатів теплофізичних досліджень показав, що їдким з основних альтернативних способів, які реалізують збільшення спловідводу від фрикційних пар, є розділ суцільнолитої чавунної гальмової олодки на автономні секції (фрикціони), конструкція яких має забезпечувати більшення поверхні теплообміну та зниження негативних ефектів коливань силових полів на поверхні тертя фрикційних пар.

Традиційна інтерпретація процесів, що відбуваються при контактній взаємодії івох тіл, не давала дослідникам можливості побачити ще деякі фізико-технічні іроблеми, розв’язання яких дозволило б поглибити розуміння феномену тертя з юзицій, наприклад, встановлення фрикційних та зносних характеристик ертьових поверхонь. Це в першу чергу стосується не лише, наприклад, ступеню ішрсткості поверхонь, але також відсутності ідеального контакту, пов'язаного з ехнічними дефектами поверхні катання колеса. Більш того, нині, незважаючи на елику кількість досліджень, характеристик зовнішнього тертя, в літературі фактично відсутні відомості, які визначають вплив на коефіцієнт тертя величини еометричних недосконалостей поверхні катання колеса, як показника відміни іеальної форми колеса від ідеальної.

Для встановлення взаємозв'язку коефіцієнта тертя з характеристикою іеідеальності колеса, розглянуто спрощену контактну задачу взаємозв'язку двох ертьових поверхонь, виходячи із закону збереження енергії. Використали іівняння Лагранжа для систем з одним ступенем вільності (перше спрощення),

C, У і т j (х, t)3S Vат

спрощення). Розв'язання отримали у вигляді:

f sil.i ^ V2 mVr со

'1 . fl-3cos2(cot + cp)A

-arcsm

\

+ її

(8)

v3 ^ I +cosA(cot + (p) J ;

Дослідження на екстремум функції (8) показали, що визначення коефіцієнт; тертя лежить у діапазоні:

* ^І<f <2^1 (9 8mVt 2mVt '

Таким чином, з формули (9) виходить, що в процесі гальмування, навіть зг умови постійності відношення FTT/mVt, коефіцієнт тертя (за рахуно* неідеальності контакту, пов'язаного з технічними дефектами поверхні катанш колеса) є змінна величина, яка має тенденцію до збільшення тим більше, чим більший період впливу геометричних недосконалостей колеса.

Сила тиску гальмової колодки на колесо на практиці може бути реалізоване різними способами управління. Дослідження впливу відхилення гальмови> зусиль, зумовлені геометричними недосконалостями поверхні катання колеса, нг коефіцієнт тертя також проводили із застосуванням рівняння Лагранжа Завдавалися різними законами про зміни сили взаємодії гальмової колодки тг колеса від часу: Fa(t) = kt”, Fj(t) = - kt + b0, F^t) = kt, F^t) = ksin(œt + <p).

З результатів розв’язання виходить, що відповідно до лінійного абс парабалічного закону про зміни сили коефіцієнт тертя має тенденцію де збільшення зі збільшенням сили взаємодії, а при синусоїдальному законі знаходиться на ділянках, які не перевищують 0,1. Таким чином, для уникненш явища заклинювання необхідно або використовувати абсолютно круглі колеса що неможливо, або підібрати умови взаємодії колодки та колеса, як забезпечують мінімальний відхил зусилля від середнього. Конструктивы« розв’язання цієї умови зумовлює розподіл суцільної серійної колодки на секції кожна з яких повинна коливатися, відстежуючи геометричні недосконалост поверхні катання колеса. Математично ця задача зв'язана з підбором параметрії пружньої системи підвішування секцій до основи колодки, за яких амплітуді зусилля взаємодії колеса та колодки наближається до постійної величини.

Для визначення взаємозв'язку збурюючої дії геометричних недосконалосте? поверхні катання колеса на характеристики коливань у секціях колодку розв’язували одномірну задачу руху фрикціона за умови, що збурююча дія являє собою одиничний імпульс. Диференційне рівняння системи та початкові умові мають вигляд: .

x + 2nx + k2x = ha0(t) (10)

где 2n = p/m, k2 = c/m, h = F/m. x(0) = x«, x(0) = x0

Розв’язання проведено методом Лапласа. Залежності жорсткості пружньогс середовища від геометричних характеристик одиничної нерівності представлен на рис. З, з якого видно, що для створення умов постійності коефіцієнту тертя, :

и

фахуванням ефекту Зомерфельда, будь-яка часова та просторова зміна

Рис. 3. Залежність жорсткості від геометричних характеристик одиничного імпульса.

Дослідження характеристик коливальної системи при обмеженні переміщення іаси секції фрикціону абсолютно жорстким упором проведено з позицій ивчення процесів систематичних співударів у межах теорії віброударних систем, ло є граничним випадком триботехнічних задач. Розрахункову схему оливальної системи: колесо - фрикціон наведено на рис. 4, рівняння осцілятора а крайові умови мають вигляд:

тХ+сх = Росоз((йІ+ ф)

жжтш

1

Рис. 4. Розрахункова схема коливальної системи фрикціон - колесо:

1 - гальмова колодка,

2 - пружній елемент;

3 - колесо; 4 - гео-

метрічна недосконалість. „

при 1 = 0

х = 5

х = х.

при І = 2гс/(»о

х = З

X = X .

(11)

В результаті розв’язання даної задачі, отримані аналітичні вирази,

с <

(12, 13)

за допомогою яких можна описати процес взаємодії секцій гальмової колодки при обмеженні переміщення маси секцій фрикціонів гальмової колодки жорстким упором колеса.

Залежності жорсткосіі від величини геометричних недосконалостеіі колеса, від кратності коливань, від зусилля притиснення, від маси одиничної секції гальмової колодки, покладені в основу методики розрахунку параметри секційної гальмової колодки.

Для підтвердження теоретичних результатів досліджень, у рамках завдані даної роботи, у третьому розділі дисертаційної роботи експериментальне досліджені параметри взаємодії секційної гальмової колодки та колеса, а такол виведено “еталонне" визначення коефіцієнтів тертя на зразках. Завдати експерименту - визначення сумісного впливу швидкості сковзання V т; гальмового натискання К на коефіцієнт тертя ф = ґ (V, К). У розгорнутом} вигляді функцію представлено у вигляді полінома: ф = а<і + аіV + агК. 3; результатами проведення експериментів отримані осцилограми сил натискання т; тертя в залежності від кутової швидкості колеса. Приклади осцилограіі представлені на рис.5.

Регресійний аналіз дозволяє уявити отримані дані у вигляді рівнянь:

Ф = 0,6196 - 0,085 V - 0,000152 К - серійна колодка

<р = 0,4137 -0,021 V-0,00010 К- колодка з п’ятьма фрикціонами

<р = 0,3672- 0,002 V - 0,011 Р — еталонне значення

Рис. 5. Копія осцилограм процесу гальмування різними гальмовими колодками: 1,2 гальмове натискання, К, 3,4 - гальмова сила, Рт; 1,3 - гальмування серійною гальмової колодкою, 2,4 - гальмування колодкою с п’ятьма фрикціонами.

Оскільки стенд для проведення “еталонного” експерименту дозволя фіксувати неперервну зміну температури зразків біля поверхні тертя, у діапазої температур, які відповідають температурам поверхонь тертя реальної фрикційні

1

пари: колесо - гальмова колодка, були отримані залежності впливу температури поверхні на коефіцієнт тертя при постійному тиску та мінливій швидкості та навпаки. Підвищення температури колодки у межах дослідів, які проводяться, відображається на зміні коефіцієнту тертя і підтверджує результати попередніх досліджень про вирішальне значення температурного режиму на коефіцієнт тертя.

Форма траєкторії руху колеса затежить не лише від стану поверхні катання рейкових ниток, але й від наявності нерівностей на поверхні катання колес локомотиву. Дослідження дозволили встановити, що розподіл амплітуд нерівностей поверхні катання колеса рудникових локомотивів вздовж неї має випадковий характер, і що в межах однієї реалізації нерівності представляють собою випадкову функцію. Аналіз осцилограм показав, що за геометричного формою та відносною протяжністю вздовж поверхні колеса, нерівності колес шахтних локомотивів можуть классифікуватися шістьма основними групами, які запропоновані к.т.н., доцентом Яковлевим В.Ф. для классифікації нерівностей колес і застосовуються на залізничному транспорті МШС.

Для визначення основних гальмових характеристик шахтного локомотиву, який устатковано секційними гальмовими колодками, розв’язували систему рівнянь руху механічної системи у фазі гальмування:

[j<p + RFCU - RFT = О

•• р w n (t4)

[my - FT - Wk = 0

Чисельне розв’язання виконували на ПК. Залежність довжини гальмового

шляху від початкової швидкості гальмування з гальмуванням різними колодками

(mc = const) наведено на рис.6.

Рис. 6. Залежність довжини гальмового щаляху від початкової швидкості гальмування з гальмуванням різними колодками (Шо = const):

1 — секційна з п’ятьма фрикціонами серійна,

2 - секційна з чотирма фрикціонами, 3 -серійна.

Таким чином теоретично доведено залежність коефіцієнту тертя від конструкції фрикційного вузла. Розроблені секційні гальмові колодки, які мають більш стабільні значення коефіцієнту тертя, дозволяють підвищити продуктивність локомотивної відкатки шляхом збільшення швидкості руху й маси вантажів, які перевозяться.

У четвертому розділі дисертації розглянуто розподіл питомого тиску на

м

ковзаючому контакті гальмової колодки та колеса тертям по циліндричні, поверхні, і зроблено висновок, що загальний тиск є адитивним та складається двох доданків - тиску, зумовленого силою притискання колодки до колеса т фрикційного тиску, зумовленого термопружною нестійкістю:

Р0 гсЕйа к 1 ,.

Р =-----ц-------------------------г- (15

ОЬБІпр X 1-дУЕ/4л"

а також наведена структура розрахунку динамічних та геометричнії характеристик секцій гальмової колодки.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є закінченою науковою роботою, де на підстав результатів теоретичних та експериментальних досліджень вирішена актуальн задача, обгрунтування та вибору раціональних параметрів колесно-колодковоп гальма шахтних локомотивів із секційною гальмовою колодкою, що да можливість підвищити продуктивність і безпеку локомотивної відкатки.

Основні наукові результати, висновки та рекомендації:

1. Огляд і аналіз сучасних літературних джерел показує, що у розрахуню гальмових режимів рудникових потягів (локомотивів) покладено гіпотез Амонтона-Кулона про незалежність сили тертя від швидкості. Разом з тим існуючі гальмові системи рудникових електровозів не забезпечують закладені розрахунках параметри гальмування, що часто виявляється джерелом зменшенн безпеки та продуктивності локомотивної відкатки.

Сформульовані завдання дослідження, направлені на створення більї досконалої гальмової системи та підвищення ефективності гальмування.

2. Розроблено та досліджено динамічну модель руху шахтного потягу умовах гальмування, яка враховує комплексні (механічні та теплофізичні параметри процесу взаємодії гальмової колодки з колесом. Встановлено, що дл стабілізації експлуатаційних характеритстик гальма шахтних локомотиві необхідна розробка нової гальмової системи, яка має якісний тепловідвід т забезпечує більш стабільну, порівняно з існуючими, величину сили тертя колода: та колеса.

3. Результати теплофізичних досліджень показують, що через термопружні-нестійкість на поверхні тертя колеса та колодки формуються песташонарі теплові поля, які працюють у режимі нагрівання - охолодження з частоток

0,05-1 Гц при V = 1-5 м/с, для зниження негативного впливу яких необхідн суттєво підвищити тепловідвід збільшенням площини охолоджування. Останн здійснюється розподілом цілісної серійної колодки на секції (фрикціони).

4. Результати дослідження контактної взаємодії гальмової колодки та колеса геометрічними недосконалостями поверхні катання (прокат, повзуни, навари показують, що для виключення явища заклинювання колеса в процес гальмування необхідно використовувати або абсолютно круглі колеса, щ неможливо, або забезпечити мінімальний відхил зусилля притискання ві, середнього. Останнє забезпечується розрахунковими параметрами пружне

системи підвішування фрикціонів.

5. Розподіл амплітуд нерівностей поверхні катання колеса рудникових локомотивів за її протягом має випадковий характер, в межах однієї реалізації нерівності поверхні катання колеса є випадковою функцією. Доведено, що для оцінних розрахунків впливу геометричних недосконалостей поверхні катання колес на коефіцієнт тертя можливе використання даних про величини амплітуд нерівностей, отримані для колес рейкового транспорту МШС.

6. Доведено, що секціонування гальмової колодки з пружнім поєднанням фрикціонів обгрунтовано надає можливість стабілізувати коефіцієнт тертя. При визначених параметрах пружних зв’язків залежність коефіцієнту тертя від швидкості є мінімальною. Встановлено, що зміна кількості фрикціонів, різні геометричні розміри фрикціонів та зміна відстані їх установки впливає на швидкісну характеристику тертя.

7. Отримані за результатами теоретичних та експериментальних досліджень виводи апробовані на конференціях і семінарах та використані при розробці методики розрахунку та вибору раціональних конструктивних параметрів секційної гальмової колодки, яку схвалено заводами ДМЗ (м. Дружківка), НВО ДЕВЗ (м. Дніпропетровськ), ВО “Луганськтепловіз”, інститутами МакНДЇ (м. Макеївка), УелНДІ (м. Дніпропетровськ) та використані ДРМЗ (м. Димитрово) при виготовленні дослідної партії секційних колодок.

8. Шахтні випробування нових секційних колодок довели, що при інших рівних умовах гальмовий шлях коротше, ніж при серійних. Останнє є одним із підтверджень теоретичних і експериментальних лабораторних досліджень, які виконано у дисертаційній роботі.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Коптовец А.Н., Денищенко A.B., Таран И.А. Структура тормозной передачи шахтных локомотивов. // Уголь Украины. -1997. - № 4. - С.39.

2. Коптовец А.Н., Денищенко A.B., Таран И.А. Оценка нестабильности тормозной силы и эффективности торможения шахтных поездов. // Уголь Украины. -1997. - № 6. - С.42-43,

3. Сердюк A.A., Таран И.А. Оптимизация параметров колесно-колодочного тормоза локомотива. // Уголь Украины. -1997. - № 8. - С.48-49.

4. Таран И.А. Влияние промежуточной среды на взаимодействие тормозной колодки и колеса. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1997 г.

- № 2 (Спец. выпуск). - С. 33-35.

5. Таран И.А. Термоупругая неустойчивость фрикционной пары тормозных устройств. // Металлургическая и горнорудная промышленность. —1997 г. - № 2. - С. 60-62.

6. Таран И.А., Денищенко A.B., Коптовец А.Н. Экспериментальное определение параметров взаимодействия секционной тормозной колодки с поверхностью катания колеса. // Науковий вісник НГАУ. - 1998 г. — J4® 3. — С. 41-43.

7. Таран И.А. Математическая модель движения рудничного локомотива в условиях торможения. // Вибрации в технике и технологиях. - 1999 г. - № 3 (12).

- С. 47-49.

8. Шумриков В.В., Таран И.А., Ширин Л.Н. Исследование влияния эксцент риситета колеса на коэффициент трения. // Науковий вісник НГАУ. - 2000 г

- № 2. - С. 53-55.

9. Шумриков В.В., Таран И.А., Ширин Л.Н. К вопросу о влиянии термоупру

гой неустойчивости на фрикционные свойства пар трения. // Науковий вісниі НГАУ.-2000 г.-№5. -С. 34-38. *

10. Патент № 23723 А. Украина. Колодочный тормоз. // Коптовец А.Н., Сер дюк A.A., Таран И.А. - 3 с.ил.; Опубликовано 31.08.98. Бюл. № 4.

11. Патент № 23724 А. Украина. Тормозная колодка. // Сердюк A.A., Tapai И.А. - 5 с.ил.; Опубликовано 31.08.98. Бюл. № 4.

12. Таран И.А., Коптовец А.Н. Динамика трения тормоза шахтных локмоти вов. ’’Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання та технологій перероби мінеральної сировини” / Тезисы докладов международной конференции, посвя щенной 75-летшо ММФ ГГАУ. Днепропетровск, 1996. - С. 70-71.

13. Сердюк A.A., Таран И.А. Динамика колесно-колодочного тормоза с учетом геометрических несовершенств поверхности катаній колеса. ’’Сучасні шляхі розвитку гірничого обладнання та технологій переробки мінеральної сировини”, Тезисы докладов международной конференции, посвященной 60-летию кафедрь горных машин ГГАУ. Днепропетровск, 1997.- С. 33-34.

Особистий внесок автора в роботи. опубліковані з співавторами:

[1] - побудова структури гальмової передачі, виявлення причини нестабільності гальмових механізмів; [2] - розв’язання рівняння, обгрунтування параметрів для створення гальмової системи; [3] - запропоновані параметри функці: управління та функціоналу якості; [6] - постановка завдання, організація экспе-риментальних робіт, узагальнення та аналіз отриманих результатів; [8,9] -математична постановка задачі, вибір методу рішення та обробка результатів: [10,11] -запропоновано формулу винаходу.

АНОТАЦІЯ

Таран 1.О. Обгрунтування та вибір раціональних параметрів колесно-колодкового гальма шахтних локомотивів з секційною гальмовою колодкою. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зг спеціальністю: 05.05.06 - “Гірничі машини”. Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2000.

В диссертації теоретично й експериментально описана взаємодія секційної гальмової колодки з колесом шахтного локомотива. На основі аналізу процесів формування теплових потоків і іх впливу на механічні властивості пар тертя встановлені закономірності: формування нестаціонарних теплових потоків, коливань температур на поверхні контакту тертьових тіл, розповсюдження теплових потоків між колесом і колодкою. В результаті рішення рівнянь коливань фрикціонів секційної гальмової колодки отримані залежності коефіцієнту тертя від маси фрикціонів, жорсткості пружньої підвіски і величини ексцентриситету. Експериментально доведено, що секціонування гальмової

колодки із пружнім з’єднанням фрикціонів дає можливість зменшити їх вплив на коефіцієнт тертя. На інженерному рівні розроблена методика розрахунку і вибору конструктивних параметрів секційної' гальмової колодки рудникового локомотива, з використанням якої визначені раціональні динамічні і геометричні параметри конструкції секційної колодки.

Ключові слова: шахтний локомотив, колесно-колодкове гальмо, секційна гальмова колодка, фрикційна пара, коефіцієнт тертя.

АННОТАЦИЯ

Таран И.А. Обоснование н выбор рациональных параметров колесноколодочного тормоза шахтных локомотивов с секционной тормозной колодкой. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - “Горные машины”. Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Целью работы является разработка способов стабилизации эксплуатационных характеристик тормоза шахтных локомотивов для повышения эффективности тормозного режима, безопасности и производительности локомотивной откатки.

Идея работы состоит в повышении эффективности торможения шахтных локомотивов секционными тормозными колодками, обеспечивающими снижение влияния на коэффициент трения скорости движения и давления в контакте трения.

Одним из основных параметров, характеризующих движение рудничного локомотива в условиях торможения, является величина тормозного пути при экстренном торможении. Оценка величины тормозного пути, с позиций закона сохранения энергии, позволила установить, что для увеличения массозагруженнос-ти подвижного состава при существующих нормах величин тормозного пути необходима разработка нового типа тормозной системы, обладающей качественным теплоотводом и стабильной величиной коэффициента трения в зависимости эт скорости при нестационарном усилии прижатия тормозной колодки к колесу. Цальнейшее исследование проводилось по двум направлениям:

1. Влияние тепловых потоков на механические и фрикционные свойства пар трения.

2. Исследование параметров динамических процессов, протекающих при взаимодействии тормозной колодки с колесом.

На основании изучения процессов формирования тепловых потоков и их влития на механические свойства пар трения установлены закономерности форми-ювания нестационарных тепловых потоков и колебаний температур на поверх-еости контакта трущихся тел, а также распределения тепловых потоков между ;олесом и колодкой. Анализ результатов теплофизических исследований показал, [то одним из основных альтернативных способов, реализующих увеличение теп-юотвода от фрикционных пар, является разделение цельнолитой чугунной тор-юзной колодки на автономные секции (фрикционы), конструкция которых

должна обеспечивать увеличение поверхности теплообмена и снижение негативных эффектов колебаний тепловых полей по поверхности трения фрикционны* пар. В результате решения уравнений колебаний фрикционов секционной тормозной колодки методами, применяемыми в теории виброударных систем, получены зависимости коэффициента трения от массы фрикционов, жесткости упругой подвески и величины геометрических несовершенств поверхности катания колеса. Экспериментально доказано, что секционирование тормозной колодки с упругим соединением фрикционов с основанием позволяет стабилизировать коэффициент трения. На инженерном уровне разработана методика расчета и выбора конструктивных параметров секционной тормозной колодки рудничного локомотива, учитывающая суммарное удельное давление тормозной колодки на колесо от приложенных тормозных усилий и усилий, связанных с термоупругой неустойчивостью трущихся поверхностей фрикционных пар, с использованием которой определены рациональные динамические и геометрические параметры конструкции секционной тормозной колодки.

Ключевые слова: шахтный локомотив, колесно-колодочный тормоз, секционная тормозная колодка, фрикционная пара, коэффициент трения.

SUMMARY

Taran I.A. The substantation and selection of rational parameters wheel-blocked brake of mine locomotives with sectional braking block. Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences on speciality 05.05.06 “Mining machines”. National Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

The interaction of the sectional brake block with the wheel of the mine locomotive is described theoretically and experimentally in the thesis. On the basis of the analysis of formation processes of heat flows and heat flows effect, on mechanical properties ol the friction pairs the following regularities are established:

- formations of the non-stationary heat flows;

- oscillations of temperatures on a contact surface of the frictioning bodies;

- distribution of heat flows between the wheel and the brake block.

In the result of the solution of the equations of the friction clutch oscillations of the sectional brake block, the relations of a friction coefficient to the friction clutch mass, the elastic suspension rigidity and an eccentricity size are obtained. It is experimentally proved that the brake block sectionalizing with the elastic connection of the friction clutch to the basis allows to stabilizing a friction coefficient. The calculation and selection technique of the design parameters of the sectional brake block of the mine locomotive, with the usage of which the rational dynamic and geometric parameters oi the sectional brake block design are determined, is developed at an engineering level.

Key words: mine locomotive, wheel-blocked brake, sectional braking block, friction pair, friction coefficient.