МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МОНЯ Андрій Григорович

УДК 622.625.28

ОБҐРУНТУВАННЯ ТА ВИБІР РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ

ДИСКОВОГО ГАЛЬМА ШАХТНОГО ЛОКОМОТИВА

Спеціальність 05.05.06 – гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автомобілів та автомобільного господарства Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Сердюк Андрій Олександрович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри автомобілів та автомобільного господарства (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Коротенко Михайло Леонідович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту і зв’язку, професор кафедри теоретичної механіки;

кандидат технічних наук, доцент

Коптовець Олександр Миколайович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри транспортних систем і технологій (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа | Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, відділ фізико-механічних основ гірничого транспорту (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться 22 червня 2005 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України

(49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 20 травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат технічних наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення продуктивності праці на гірничих підприємствах зумовлює збільшення вантажопотоків і, відповідно, маси та швидкості руху поїздів, що транспортують корисні копалини. Вантажопотік, забезпечуваний шахтним транспортом, характеризується високою вартістю та трудомісткістю робіт. Тому збільшення ефективності підземного транспортування шляхом створення нових і удосконалювання існуючих шахтних локомотивів має велике народногосподарське значення.

Підвищення продуктивності шахтного рейкового транспорту можливе лише при високій надійності гальмових систем локомотивів. До головних характеристик, що визначають ефективну роботу шахтного локомотива, відносяться реалізовані сили тяги і гальмування, надійність і енергоспоживання.

Специфічні умови експлуатації шахтних локомотивів (наявність між колесом і рейкою проміжного середовища, низький коефіцієнт зчеплення, значні нерівності і погана якість укладання рейкової колії, висока відносна вологість, присутність у повітрі пилу і т. д.), що зумовлюють їх невелике навантаження на вісь колісної пари і малі швидкості руху, не дозволяють перенести результати досліджень процесу гальмування залізничного состава на шахтний рейковий транспорт. Використовувані в даний час залежності коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання отримані для режиму тяги і без урахування особливостей впливу проміжного середовища в процесі гальмування.

Гальмовий момент, створюваний на колесі колісно-колодковим гальмом, залежить від швидкості руху шахтного локомотива, стану рейкової колії та нагрівання гальмової колодки, що не дозволяє повною мірою реалізовувати можливий коефіцієнт зчеплення. Застосовувані в транспортних системах дискові гальма не мають цього недоліку. Дослідження, спрямовані на визначення раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива, вивчення динаміки привода в процесі гальмування, будуть сприяти підвищенню безпеки руху, збільшенню провізної спроможності внутрішньошахтного транспорту, розвитку гірничого машинобудування України.

Тому визначення залежності коефіцієнта зчеплення, що реалізується в специфічних шахтних умовах, від параметрів створюваного нелінійного гальмового моменту для обґрунтування та вибору раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива є актуальною науковою задачею, розв’язання якої сприяє підвищенню ефективності та безпеки гальмування, збільшенню маси і швидкості шахтних поїздів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, проведених у Національному гірничому університеті за держбюджетними темами ГП-301 “Теоретичне обґрунтування методів розрахунку параметрів гідросистеми та керування дисковими гальмами шахтної піднімальної установки” (№ ДР 0103U001272) і ГП-317 “Теоретичне обґрунтування технічних рішень по підвищенню експлуатаційних характеристик шахтного колісного транспорту” (№ ДР 0103U001288), в яких автор брав безпосередню участь як відповідальний виконавець по окремих розділах.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – поліпшення гальмових характеристик шахтного локомотива шляхом вибору раціональних параметрів дискового гальма на основі знайденої залежності коефіцієнта зчеплення, що реалізується, від параметрів створюваного гальмового моменту з урахуванням установлених фрикційних характеристик взаємодії колеса і рейки в умовах шахти.

Поставлена в роботі мета досягається вирішенням наступних задач:

1) обґрунтувати і скласти розрахункові схеми шахтного локомотива з варіантами установлення дискового гальма на осі колісної пари і на валу двигуна, розробити й апробувати математичну модель гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом;

2) обґрунтувати вплив проміжного середовища на коефіцієнт зчеплення при коченні колеса по рейці з негативним відносним ковзанням, експериментально визначити характеристики зчеплення колеса з рейкою шахтного локомотива в режимі гальмування та одержати апроксимації експериментальних даних, що дозволяють аналітично представляти залежності коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання для різних станів рейкової колії;

3) визначити залежність температури на поверхні тертя в дисковому гальмі шахтного локомотива від часу при багаторазовому повторенні циклу гальмування-розгін, експериментально установити залежності, що характеризують вплив відносної вологості, а також наявності кварцового або вугільного пилу на температурні та фрикційні характеристики дискового гальма в процесі гальмування;

4) розробити методику для обґрунтування та вибору раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива і впровадити результати роботи.

Об’єкт дослідження процес формування гальмового зусилля в ходовій частині шахтного локомотива.

Предмет дослідження залежність гальмових характеристик шахтного локомотива від параметрів його дискового гальма.

Ідея роботи полягає в урахуванні параметрів створюваного пульсуючого гальмового моменту, які встановлені для специфічних шахтних умов з використанням отриманих для різних станів рейкової колії залежностей коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання в режимі гальмування та забезпечують реалізацію відносного ковзання в околі значення, що відповідає максимуму абсолютної величини коефіцієнта зчеплення, при розрахунку параметрів дискового гальма шахтного локомотива.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтуються на аналізі й узагальненні літературних джерел. Вимушені коливання елементів колісно-моторного блоку (КМБ) шахтного локомотива в процесі гальмування дисковим гальмом досліджені методами диференціального числення та математичного моделювання. Кочення колеса по рейці з негативним відносним ковзанням за наявності проміжного середовища досліджено методами чисельного інтегрування диференціальних рівнянь Нав’є Стокса. Задоволення граничним умовам проведено методом зважених нев’язок і методами лінійної алгебри. При аналітичному розв’язанні диференціального рівняння теплопровідності в циліндричних координатах використані інтегральні перетворення Лапласа, Ханкеля з застосуванням теорії узагальнених змінних і методу подібності.

У процесі проведення й аналізу експериментів використовувалися сучасні методи тензометрії, обробки експериментальних даних, математичної статистики і планування експерименту. При обробці експериментальних даних з визначення характеристик зчеплення колеса з рейкою в режимі гальмування шахтного локомотива отримані апроксимуючі залежності, параметри яких визначені методом найменших квадратів. Вимірювання температури нагрівання дискового гальма шахтного локомотива проведені в лабораторних умовах методом штучної термопари.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою в процесі гальмування шахтного локомотива пропорційний сумі тангенса гіперболічного многочлена першого степеня і многочлена третього степеня відносного ковзання. Залежності абсолютної величини коефіцієнта зчеплення від абсолютної величини відносного ковзання, що відповідають різним станам рейкової колії, мають максимум при абсолютній величині відносного ковзання від 2,1% до 8,5%.

2. Пульсуючий синусоїдальний гальмовий момент, створюваний на осі колісної пари, що дорівнює сумі сталої складової та амплітуди коливань змінної складової, помноженій на синус добутку числа періодів синусоїди за один оберт колісної пари на її кутову координату, забезпечує більш високі гальмові характеристики шахтного локомотива, ніж сталий гальмовий момент. Залежність граничного значення сталої складової, при якому в процесі гальмування відбувається зрив зчеплення, від вихідних даних, амплітуди коливань і числа періодів синусоїди має максимум при амплітуді коливань, що становить 10...15% від середнього значення моменту гальмування, і числі періодів синусоїди в межах від 35 до 55.

Новизна результатів роботи.

1. Вперше обґрунтовано вплив проміжного середовища, що має властивості в’язкої нестисливої рідини, на характеристики фрикційного контакту колесо-рейка при негативному відносному ковзанні.

2. Вперше отримані залежності коефіцієнта зчеплення колеса з рейкою від відносного ковзання в режимі гальмування шахтного локомотива для різних станів рейкової колії, які відрізняються від відомих аналогічних залежностей у тяговому режимі.

3. Вперше отримано аналітичний розв’язок задачі нестаціонарної теплопровідності про знаходження температурного поля, що виникає в гальмовому диску та фрикційних накладках дискового гальма шахтного локомотива при виконанні накладок у вигляді кільцевого сектора, на підставі якого знайдена залежність відносної температури на поверхні тертя гальмового диска від часу при циклічному гальмуванні.

4. Вперше експериментально встановлені залежності, що характеризують вплив відносної вологості, а також наявності кварцового або вугільного пилу на температурні та фрикційні характеристики дискового гальма шахтного локомотива, які враховані при виборі його параметрів.

5. Вперше розроблено математичну модель гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом, що створює на осі колісної пари пульсуючий гальмовий момент, який залежить від її кутової координати, з урахуванням нелінійної залежності коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання, на базі якої встановлені параметри гальмового моменту, що дозволяють поліпшити гальмові характеристики.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлені коректністю поставлених у роботі задач; використанням допущень, які звичайно застосовуються в аналогічних дослідженнях; застосуванням апробованих методів розв’язання системи диференціальних рівнянь, що описує вимушені коливання елементів КМБ шахтного локомотива в процесі гальмування, диференціальних рівнянь Нав’є Стокса динаміки в’язкої нестисливої рідини і рівняння теплопровідності в циліндричних координатах; використанням при проведенні експериментальних досліджень стандартної апаратури і перевірених методів обробки результатів; прийнятною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень. Максимальна розбіжність розрахункових і експериментальних значень становить: для довжини гальмового шляху і часу гальмування близько 10%; для сили гальмування в зчепі не більше 21%; для температури на поверхні гальмового диска близько 11%.

Наукове значення роботи полягає:

1) у теоретичному обґрунтуванні та експериментальному визначенні фрикційних характеристик взаємодії колеса і рейки при гальмуванні в умовах шахти;

2) у розвитку вирішення задачі нестаціонарної теплопровідності про знаходження температурного поля, що виникає в елементах гальмового пристрою, та експериментальному визначенні залежностей відносної температури нагрівання гальмового диска шахтного локомотива від часу і коефіцієнта тертя фрикційної пари від відносної температури з урахуванням відносної вологості, а також наявності кварцового або вугільного пилу для різних кутових швидкостей обертання диска;

3) у встановленні шляхом математичного моделювання процесу гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом параметрів гальмового моменту, які забезпечують високі гальмові характеристики.

Практичне значення роботи полягає в розробці науково обґрунтованих інженерних методик вибору раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива та визначення динамічних і кінематичних характеристик привода шахтного локомотива при гальмуванні дисковим гальмом із багатосекторним диском.

Реалізація результатів роботи. Розроблені методики впроваджені та використовуються в ЕНДІ ДП НВК “Електровозобудування” при проведенні науково-дослідних і конструкторських робіт, у навчальному процесі НГУ. Дискове гальмо з багатосекторним диском, розроблене на їх основі НГУ та виготовлене ВО “Луганськтепловоз”, встановлено на експериментальному зразку шахтного локомотива Е10. Очікуваний річний економічний ефект від використання на електровозі Е10 двох дискових гальм із багатосекторними дисками в умовах шахти “Самарська” ДХК “Павлоградвугілля” у цінах 2003 р. становить 73000 грн.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети та ідеї роботи, формулюванні задач дослідження і наукових положень, виборі методів дослідження, проведенні розрахунково-теоретичного моделювання й експериментальних досліджень, обробці, аналізі та узагальненні отриманих результатів; здобувачем зроблені висновки і розроблені методичні рекомендації для практичного застосування під час проведення науково-дослідних і конструкторських робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і були схвалені на науковій конференції “Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоліття”, НГУ (Дніпропетровськ, 2002); міжнародній науково-методичній конференції “Проблеми галузевого машинобудування та підготовки фахівців вищої кваліфікації”, НГУ (Дніпропетровськ, 2003); міжнародній науково-технічній конференції “Форум гірників2003”, НГУ (Дніпропетровськ, 2003); науковому симпозіумі “Неделя горняка2004”, МДГУ (Москва, 2004); VI міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу”, НГУ (Дніпропетровськ, 2004).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 11 роботах. З них: 6 статей у фахових наукових виданнях (2 без співавторів), 1 доповідь на конференції, 1 патент України, тези 3-х доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, містить 195 сторінок машинописного тексту, у тому числі 50 рисунків, 12 таблиць, список використаних джерел із 146 найменувань, 6 додатків на 74 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені загальна характеристика і структура роботи.

У першому розділі проведено огляд літератури, присвяченої конструкціям гальмових систем, застосовуваних на шахтних локомотивах, дисковим гальмовим пристроям у машинобудуванні, взаємодії коліс шахтного локомотива з рейками при гальмуванні, тепловому режиму гальмових пристроїв.

Дослідження, пов’язані з вивченням дискових гальмових пристроїв, застосовуваних у машинобудуванні, відображені в роботах М.П. Александрова, В.І. Білоброва, Т.П. Ньюкомба, В.І. Самусі, А.В. Чичинадзе та ін. Дослідженням взаємодії фрикційної пари колесо-рейка займалися К. Джонсон, І.П. Ісаєв, Ю.М. Лужнов, А.П. Павленко та ін. Дослідження, що відносяться до питань формування сили тяги і сили гальмування магістральних і промислових локомотивів, описані в роботах А.М. Бабічкова, В.Г. Іноземцева, М.Л. Коротенка, В.А. Лазаряна, Л.М. Пижевича та ін. Багато питань, пов’язаних з вивченням і поліпшенням тягово-гальмових характеристик шахтних локомотивів і тягових агрегатів, висвітлені в численних працях С.Є. Блохіна, О.М. Коптовця, Б.О. Кузнецова, В.В. Мішина, Є.Є. Новікова, М.С. Полякова, О.О. Ренгевича, А.О. Сердюка, П.С. Шахтаря, Е.М. Шляхова, В.Г. Шоріна та ін.

Донедавна технічно передбачені швидкості вітчизняних шахтних локомотивів не використовувалися повною мірою через обмежені можливості колісно-колодкового гальма з ручним керуванням. Дискові гальма на них стали застосовувати порівняно недавно. Їх основні переваги: більша поверхня тертя, ніж у колодкових гальм при однакових габаритах; відносна легкість захисту від пилу, грязі і вологи; зчеплення тертьових елементів по плоскій поверхні. Дискове гальмо має менший час спрацьовування, чим колісно-колодкове. Воно може бути встановлено як на валу двигуна, так і на осі колісної пари.

Дослідження з визначення залежності коефіцієнта зчеплення від стану рейкової колії і відносного ковзання колеса по рейці проводилися для режиму тяги та їх результати автоматично переносилися на режим гальмування. Вивченню процесу взаємодії колеса з рейкою за наявності проміжного середовища приділялося мало уваги.

Тепловий розрахунок гальмового пристрою є однією з основних задач, що розв’язуються при виборі його виду і розробці конструкції. Тепловий режим дискового гальма шахтного локомотива, особливо з урахуванням специфічних умов роботи, у даний час вивчений недостатньо.

На підставі аналізу й узагальнення описаних у літературі досліджень процесів, що відбуваються при гальмуванні шахтного локомотива, сформульована мета дисертаційної роботи і поставлені задачі для її досягнення, вирішені в наступних розділах.

У другому розділі обґрунтовані і складені розрахункові схеми шахтного локомотива з варіантами установлення дискового гальма на осі колісної пари і на валу двигуна, розроблена й апробована математична модель гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом, що описує вимушені коливання елементів КМБ, з урахуванням нелінійної характеристики взаємодії фрикційної пари колесо-рейка.

Розрахункові схеми шахтного локомотива для обох випадків розміщення дискового гальма складені на базі механічної системи шахтного електровоза Е10. Вони включають у себе половину рами візка і частину КМБ, що містить одну колісну пару (рис. 1).

Рис. 1. Розрахункові схеми шахтного локомотива з дисковим гальмом на осі колісної пари (а) і на валу двигуна (б):

1 – тяговий двигун; 2 – редуктор; 3 – колісна пара; 4 – пружні елементи; 5 – рама приводного візка; 6 – дискове гальмо.

Математична модель гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом отримана з використанням рівняння Лагранжа другого роду. Поздовжні і кутові коливання елементів шахтного локомотива в режимі гальмування описані системою шести диференціальних рівнянь другого порядку

(1)

де mc маса состава; m3, m4 зведені маси відповідних коліс; y, y3, y4 лінійні переміщення локомотива і коліс; Cy3, Cy4 коефіцієнти жорсткості пружних елементів; вy3, вy4 коефіцієнти демпфірування; , – сили зчеплення; ш3, ш4 – коефіцієнти зчеплення (у режимі гальмування приймають від’ємні значення); S3, S4 – відносні ковзання; mл – маса локомотива; g – прискорення вільного падіння; I3, I4 зведені моменти інерції відносно осі OX; I2 зведений момент інерції редуктора, дискового гальма і двигуна відносно осі OX, що відповідає одній колісній парі; Cц3, Cц4 коефіцієнти жорсткості півосей КМБ; ц2, ц3, ц4 кутові координати вихідного вала редуктора і коліс; вц3, вц4 коефіцієнти демпфірування; r – радіус круга катання коліс; Mт – момент гальмування на вихідному валу редуктора (у випадку розташування дискового гальма на валу двигуна ); u – передаточне число редуктора; – момент гальмування на валу двигуна.

Коефіцієнти зчеплення коліс з рейками ш3 і ш4 є функціями відносних ковзань відповідних коліс. Відносні ковзання в будь-який момент часу можуть бути визначені за формулами

, . (2)

Для встановлення характеристик кочення сталевого колеса по рейці в режимі гальмування за наявності проміжного середовища застосована модель руху ньютонівської в’язкої нестисливої рідини. До обертового сталевого колеса за нормаллю до рейки прикладена сила, частина якої сприймається проміжним середовищем (рис. 2). Тут прийняті позначення: R радіус круга катання колеса; щ кутова швидкість колеса; FN нормальна сила; Mт момент гальмування; r змінний радіус; ц змінна кутова координата; h товщина шару проміжного середовища; зазор між колесом і рейкою в площині , заповнений проміжним середовищем; Vр швидкість рейки відносно геометричного центра колеса; точки колокації; и, и1 кути, що визначаються геометрично.

Рис. 2. Розрахункова схема процесу гальмування колеса за наявності проміжного середовища

Задача зводиться до розгляду руху в’язкої нестисливої рідини між колесом і рейкою. Швидкість рейки перевищує окружну швидкість колеса, тобто між робочими поверхнями колеса і рейки має місце проковзування.

Лінеаризовані рівняння Нав’є Стокса, в яких відсутні інерційні члени, у полярних координатах з урахуванням відносної тонкості зазору в порівнянні з радіусом колеса після заміни поза знаком похідної r на R і переходу до змінної приймають вигляд

, ,

де Vц, Vr проекції вектора швидкості; p тиск; динамічний коефіцієнт в’язкості рідини; н кінематичний коефіцієнт в’язкості рідини; с густина рідини.

Нормальні уrr і дотичні фrц напруження, відповідно до узагальненого закону Ньютона для нестисливої в’язкої рідини в розгорнутому вигляді в полярній системі координат, визначаються за формулами

, .

Граничні умови записані з урахуванням того, що швидкість середовища на границі середовище-колесо дорівнює швидкості колеса, на границі середовище-рейка дорівнює швидкості рейки; середовище не проникає через границі; на відстані від колеса швидкість середовища дорівнює швидкості рейки, тиск дорівнює нулю. Знайдено апроксимацію розв’язання , , в області CABDB1A1 (рис. 2). Для задоволення функцій Vц, Vr і p граничним умовам використаний метод зважених нев’язок у вигляді поточкової колокації. Визначені відносна піднімальна сила проміжного середовища і відносна сила в’язкого опору, обумовленого наявністю проміжного середовища, як функції відносного ковзання (рис. 3).

Рис. 3. Залежності відносної піднімальної сили і відносної сили в’язкого опору від відносного ковзання:

1 відносна піднімальна сила ; 2 відносна сила в’язкого опору ; 3 відношення збільшення відносної піднімальної сили до збільшення відносної сили в’язкого опору .

Були проведені експерименти по вимірюванню відносного ковзання в режимі гальмування шахтного локомотива однією колісною парою шляхом швидкісної кінозйомки колеса і рейки з нанесеними на них смугами. У початковий момент гальмування лінійна швидкість колеса становила 5 м/с, і колесо котилося вільно без проковзування. У кінцевий момент часу кутова швидкість колеса дорівнювала нулю, а лінійна була відмінна від нуля, що відповідало режиму юза.

Одночасно визначали коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою. Для цього вимірювали вертикальне навантаження на колесо і силу гальмування колеса в процесі руху. Вертикальне навантаження на колесо визначали за допомогою пружини підвіски колісної пари з тензодатчиками опору. Гальмове зусилля колеса вимірювали в реактивній тязі трубчастим тензометром.

Експериментальні дані апроксимовані залежністю

, (3)

де k1, k2, k3, k4 числові коефіцієнти механічної характеристики фрикційної пари, визначені за допомогою методу найменших квадратів. Графіки на рис. 4 показують вплив стану рейкової колії на залежність .

Рис. 4. Апроксимуючі залежності :

1 – рейки покриті рідкою вугільною гряззю; 2 – рейки мокрі чисті; 3 – рейки посипані піском, роздавленим у результаті попередньої поїздки; 4 – рейки посипані піском.

Інтегрування системи диференціальних рівнянь (1) з урахуванням формул (3) і (2) виконано методом Рунге Кутта. Для апробації математичної моделі розглядався шахтний електровоз Е10. Вихідні дані при обчисленнях задавалися відповідно до проведеного експериментального дослідження динамічних і кінематичних параметрів руху шахтного локомотива в режимі гальмування.

Для імітації руху шахтного локомотива в складі поїзда використовували зчіпку з двох локомотивів Е10 і АМ8Д. Гальмування випробуваного локомотива Е10 здійснювали дисковими гальмами одного з приводних візків, розташованими на осях колісних пар.

Вимірювання пройденого шляху і частоти обертання колісних пар проводили за допомогою датчиків, виконаних у вигляді повнопровідних роликових реостатів. Гальмове зусилля, створюване однією колісною парою, визначали за допомогою трубчастих тензометрів, що вимірювали зусилля в реактивних тягах. Для вимірювання гальмового зусилля, створюваного локомотивом у зчіпці, між локомотивом і причіпною частиною встановлювався кільцевий тензометр. Вимірювання гальмового моменту, створюваного дисковим гальмом на осі колісної пари, проводили за допомогою спеціально виготовленої скоби з тензодатчиками опору, на якій закріплювався супорт із гальмовими колодками (рис. 5).

Рис. 5. Фрагмент осцилограми для рейок, покритих рідкою вугільною гряззю:

1 – крива шляху; 2 – крива частоти обертання гальмуючої колісної пари; 3 – крива гальмового зусилля, створюваного гальмуючою колісною парою; 4 – крива частоти обертання колісної пари, що не бере участь у гальмуванні; 5 – крива гальмового зусилля, створюваного в зчіпці; 6 – крива гальмового моменту, створюваного дисковим гальмом.

Результати розрахунків при різних станах рейкової колії добре узгоджуються з даними експерименту.

У третьому розділі отримано аналітичний розв’язок задачі про знаходження температурного поля, що виникає в гальмовому диску та фрикційних накладках дискового гальма шахтного локомотива при виконанні фрикційних накладок у вигляді кільцевого сектора.

Гальмовий диск розглядається як порожнистий обмежений однорідний циліндр, в якого з внутрішньої, зовнішньої та вільних торцевих поверхонь відбувається тепловіддача у навколишнє середовище (рис. 6). Тут прийняті позначення: R1, R2 відповідно внутрішній та зовнішній радіуси диска; б центральний кут кільцевого сектора фрикційної накладки; тепловий потік; коефіцієнти температуропровідності (індекс 1 відноситься до диска, 2 до фрикційних накладок); л1, л2 коефіцієнти теплопровідності; c1, c2 питомі теплоємності; г1, г2 густини; у1, у2 коефіцієнти тепловіддачі; b1, b2 напівтовщини.

Рис. 6. Розрахункова схема нагрівання дискового гальма

Для визначення температури в гальмовому диску T1 і фрикційних накладках T2 як функції часу t і координат r, z використане диференціальне рівняння теплопровідності в циліндричних координатах

(, );

початкова умова: , де Tн початкова температура; граничні умови:

, ,

, , ,

де бтп коефіцієнт розподілу теплових потоків; .

Після переходу до безрозмірних величин і послідовного застосування перетворення Лапласа за безрозмірним часом і кінцевого інтегрального перетворення Ханкеля за безрозмірним радіусом отримана система звичайних диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами. Зворотне перетворення Ханкеля до їх частинних розв’язків знайдено у вигляді розвинення за власними функціями. Зворотне перетворення Лапласа отримано з використанням теореми про згортку функцій. Розраховано відносну температуру (, де Tд припустиме значення температури) на поверхні тертя гальмового диска при багаторазовому повторенні циклу, що включає в себе гальмування до повної зупинки та розгін (рис. 7).

Рис. 7. Змінювання відносної температури на поверхні тертя гальмового диска

Дослідження впливу відносної вологості, а також наявності кварцового або вугільного пилу на температурні та фрикційні характеристики дискового гальма шахтного локомотива проведено в лабораторії на безінерційному гальмовому стенді при різних кутових швидкостях обертання диска. Для вимірювання кінематичних параметрів у стенді використаний датчик реостатного типу. Контроль за швидкістю здійснювався за показниками тахометра.

Дослідження нагрівання гальмового диска в процесі гальмування проведено методом штучної термопари. Відносна вологість під час вимірювань (за винятком випадків, коли вона варіювалася спеціально) становила 75% для температури повітря 25 С. Окремо проводилися вимірювання за наявності вугільного та кварцового пилу, концентрація якого становила близько 80 г/м3. Вимірювання гальмового моменту залежно від температури диска проводили з початковим розігрівом. Для визначення гальмового моменту супорт із гальмовими колодками закріплювали на спеціально виготовленій скобі з тензодатчиками опору.

У четвертому розділі проведено дослідження процесу гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом, що створює пульсуючий гальмовий момент, з метою реалізації максимально можливого коефіцієнта зчеплення для різних станів рейкової колії. Пульсуючий гальмовий момент, створюваний на осі колісної пари, визначали за формулою

,

де M0 стала складова моменту гальмування; A амплітуда коливань змінної складової моменту гальмування; б число періодів синусоїди за один оберт колісної пари; ц2 кутова координата осі колісної пари; .

У першу чергу визначали значення сталої складової гальмового моменту M0 max, при якому в процесі гальмування відбувається зрив зчеплення. Амплітуду коливань вибрали з міркувань одержання найменшого гальмового шляху для кожного з розглянутих граничних значень M0. Потім знаходили 80% від отриманих значень. Ці величини і використовували при моделюванні процесу гальмування. Гальмовий момент задавали сталим () і пульсуючим (). Зображені на рис. 8 графіки відповідають масі состава кг, початковій швидкості локомотива 5 м/с і рейковій колії, посипаній піском.

Рис. 8. Залежності коефіцієнта зчеплення одного з коліс локомотива від часу:

а)  Нм, ; б)  Нм,  Нм, ; в)  Нм,  Нм, .

Показано, що при пульсуючому гальмовому моменті для зриву зчеплення необхідно прикласти більше значення M0 max, ніж при постійному гальмовому моменті для кожного з розглянутих станів рейок, а також при різних значеннях маси состава і початкової швидкості локомотива. Установлено, що найбільший ефект від застосування пульсуючого гальмового моменту досягається, якщо амплітуда коливань становить 10...15% від середнього значення моменту гальмування, а число їх періодів за один оберт колісної пари знаходиться в межах від 35 до 55.

Для створення пульсуючого гальмового моменту запропоновано використовувати багатосекторний диск, виконаний з матеріалів, що мають з матеріалом накладок гальмових колодок, виготовлених у вигляді кільцевого сектора, різний коефіцієнт тертя.

Для поліпшення повітряного охолодження гальмового диска, більш рівномірного нагрівання тертьових поверхонь і зменшення їх зносу, на робочій поверхні диска запропоновано робити односпрямовані спіралеподібні канавки, змінний полярний радіус осі яких визначається за формулою

(),

де R1, R2 відповідно внутрішній і зовнішній радіуси робочої зони диска; ц змінна кутова координата; б максимальне значення змінного кута, що залежить від числа канавок. На дану пропозицію отримано патент України № 65932 А.

Для шахтного локомотива Е10 обґрунтовані та вибрані раціональні параметри дискового гальма з однорідним і багатосекторним гальмовими дисками. Дискове гальмо розташоване на валу двигуна кожного приводного візка. Максимальний необхідний момент гальмування визначений з використанням формули

,

де м1, м2 коефіцієнти тертя для двох пар матеріалів диска і фрикційних накладок (для однорідного диска ).

Розрахунок температури на поверхні тертя однорідного і багатосекторного гальмових дисків наприкінці третього гальмування до повної зупинки показав, що вона не перевищить припустиме значення.

Для вибраних параметрів дискового гальма отримано динамічні та кінематичні характеристики привода шахтного локомотива в процесі гальмування при різних вихідних даних і досліджено процес гальмування шахтного локомотива на затяжному уклоні.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень отримано нове вирішення актуальної наукової задачі, що полягає у визначенні залежності коефіцієнта зчеплення, що реалізується в специфічних шахтних умовах, від параметрів створюваного пульсуючого гальмового моменту, який залежить від кутової координати осі колісної пари, шляхом математичного моделювання процесу гальмування шахтного локомотива для обґрунтування та розробки методики вибору раціональних параметрів дискового гальма, що сприяє підвищенню ефективності та безпеки гальмування, збільшенню маси і швидкості шахтних поїздів.

Основні наукові результати, висновки та рекомендації.

1. Огляд і аналіз сучасних літературних джерел показує, що специфічні умови, які характеризують рух шахтних локомотивів, не дозволяють повною мірою використовувати їх технічно передбачені швидкості через обмежені можливості гальмових засобів. Дослідження з визначення залежності коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання колеса по рейці проводилися для режиму тяги і без урахування особливостей процесу взаємодії колеса з рейкою за наявності проміжного середовища. Тепловий режим дискового гальма шахтного локомотива, особливо з урахуванням реальних умов роботи, в даний час вивчений недостатньо.

2. Обґрунтовано і складено розрахункові схеми шахтного локомотива з варіантами установлення дискового гальма на осі колісної пари і на валу двигуна. Розроблена й апробована математична модель гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом, що дозволяє визначити динамічні навантаження в ланках КМБ, розрахувати гальмовий шлях і час гальмування, встановити критичне значення гальмового моменту, при якому під час гальмування відбувається зрив зчеплення. Максимальна розбіжність розрахункових і експериментальних значень становить: для довжини гальмового шляху і часу гальмування близько 10%; для сили гальмування в зчіпці не більше 21%.

3. Обґрунтовано вплив проміжного середовища на характеристики зчеплення колеса з рейкою при негативному відносному ковзанні шляхом математичного моделювання процесу кочення сталевого колеса по рейці. Показано, що для того, щоб відношення збільшення відносної піднімальної сили проміжного середовища до збільшення відносної сили в’язкого опору в порівнянні зі значеннями цих величин при вільному коченні не перевищувало одиниці, необхідно обмежувати абсолютне значення відносного ковзання величиною 8,5%.

4. На основі обробки й апроксимації експериментальних даних отримані нелінійні залежності коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання в режимі гальмування шахтного локомотива для різних станів рейкової колії, в яких значення коефіцієнта зчеплення відрізняються від експериментальних даних не більше ніж на 10% з достовірністю 0,95. Залежності абсолютної величини коефіцієнта зчеплення від абсолютної величини відносного ковзання, що відповідають різним станам рейкової колії, мають максимум при абсолютній величині відносного ковзання від 2,1% до 8,5%.

5. Отримано аналітичний розв’язок задачі про знаходження температурного поля, що виникає в гальмовому диску та фрикційних накладках дискового гальма шахтного локомотива, як функції часу і координат при виконанні накладок у вигляді кільцевого сектора. Максимальна розбіжність розрахункових і експериментальних значень для температури на поверхні гальмового диска становить близько 11%. Показано, що максимальна температура на поверхні тертя диска, яка досягається наприкінці гальмування, стабілізується, починаючи з третього циклу, що включає в себе гальмування до повної зупинки і розгін.

6. Експериментально встановлено, що залежності коефіцієнта тертя фрикційної пари дискового гальма шахтного локомотива від температури при високій відносній вологості, яка сприяє зменшенню температури нагрівання і коефіцієнта тертя, та різних кутових швидкостях мають параболічний характер. Кварцовий пил спочатку викликає підвищення температури нагрівання диска, а потім зниження; на малих швидкостях спочатку сприяє збільшенню коефіцієнта тертя фрикційної пари, а потім зменшенню; на великих швидкостях призводить до зменшення коефіцієнта тертя фрикційної пари. Вугільний пил викликає зменшення температури нагрівання диска і коефіцієнта тертя фрикційної пари. Отримані залежності враховано при визначенні геометричних розмірів гальмового диска і накладок колодок.

7. Установлено, що шлях, який проходить локомотив під час гальмування, при пульсуючому гальмовому моменті, створюваному на осі колісної пари, буде менший, ніж при постійному гальмовому моменті. Найбільший ефект від застосування пульсуючого гальмового моменту досягається, якщо амплітуда коливань становить 10...15% від середнього значення моменту гальмування, а число їх періодів за один оберт колісної пари знаходиться в межах від 35 до 55.

8. Показано, що при використанні дискового гальма з багатосекторним диском із двох матеріалів, що чергуються, та фрикційними накладками гальмових колодок у вигляді кільцевого сектора відношення різниці коефіцієнтів тертя для двох пар матеріалів диска і фрикційних накладок до їх суми повинне бути від 0,1 до 0,15. Для шахтного локомотива Е10 обґрунтовано та вибрано раціональні параметри дискового гальма з однорідним і багатосекторним гальмовими дисками.

9. Отримані результати теоретичних і експериментальних досліджень використані при розробці методик вибору раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива та визначення динамічних і кінематичних характеристик привода шахтного локомотива при гальмуванні дисковим гальмом із багатосекторним диском, впроваджених в ЕНДІ ДП НВК “Електровозобудування” (м. Дніпропетровськ) і в навчальний процес НГУ.

10. Шахтні випробування експериментального зразка шахтного локомотива Е10, обладнаного дисковим гальмом із багатосекторним диском, розробленим НГУ та виготовленим ВО “Луганськтепловоз”, показали, що за інших рівних умов його гальмовий шлях на 8...15% коротший, ніж гальмовий шлях локомотива К10, обладнаного колісно-колодковим гальмом. Очікуваний річний економічний ефект від використання на електровозі Е10 двох дискових гальм із багатосекторними дисками в умовах шахти “Самарська” ДХК “Павлоградвугілля” у цінах 2003 р. становить 73000 грн.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Сердюк А.А., Моня А.Г. Разработка математической модели торможения шахтного локомотива дисковым тормозом // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. Дніпропетровськ: НГУ, 2002. Вип. 69. С. 127–132.

2. Процив В.В., Моня А.Г. Экспериментальное определение характеристик сцепления шахтного локомотива в режиме торможения // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. пр. / Ін-т геотехнічної механіки НАН України. Дніпропетровськ, 2002. Вип. 40. С. 231236.

3. Сердюк А.А., Моня А.Г. О качении колеса по рельсу с отрицательным относительным скольжением при наличии промежуточной среды // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2003. №2. С. 5962.

4. Моня А.Г. Тепловой режим дискового тормоза шахтного локомотива // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. №4. С. 99102.

5. Сердюк А.А., Моня А.Г. Температурные и фрикционные характеристики дискового тормоза в условиях повышенного содержания пыли и влаги // Сб. научн. тр. Национального горного университета. – Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. – Т. 2, №17. – С. 246–250.

6. Моня А.Г. Выбор рациональных параметров дискового тормоза шахтного локомотива с многосекторным тормозным диском // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. Дніпропетровськ: НГУ, 2003. Вип. 71. С. 75–82.

7. Сердюк А.А., Моня А.Г. Торможение шахтного локомотива дисковым тормозом с многосекторным диском // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2004. С. 241246.

8. Патент № 65932 А. Україна. МПК 7 F16D55/00, F16D55/02. Гальмо дискове / Сердюк А.О., Моня А.Г., Нагорна В.Г. Заявл. 03.07.03; Опубл. 15.04.04, Бюл. №4. 6 с.

9. Моня А.Г. Нагрев дискового тормоза шахтного локомотива при торможении // Тез. допов. міжнар. наук.-метод. конф. “Проблеми галузевого машинобудування та підготовки фахівців вищої кваліфікації. – Дніпропетровськ: НГУ, 2003. – С. 26.

10. Сердюк А.А., Моня А.Г. Влияние промежуточной среды на коэффициент сцепления при качении колеса по рельсу с отрицательным относительным скольжением // Тез. допов. міжнар. наук.-метод. конф. “Проблеми галузевого машинобудування та підготовки фахівців вищої кваліфікації. – Дніпропетровськ: НГУ, 2003. – С. 29.

11. Моня А.Г. Аппроксимация экспериментальных данных характеристик сцепления шахтного локомотива в режиме торможения // Тез. допов. міжнар. наук.-техн. конф. “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу. – Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – С. 81–83.

Особистий внесок автора в роботи, що опубліковані у співавторстві:

[1] – складення розрахункової схеми, розробка і чисельне розв’язання математичної моделі; [2] – участь у проведенні експерименту, апроксимація експериментальних даних, висновки; [3] – складення розрахункової схеми, аналітичне розв’язання задачі про рух проміжного середовища між колесом і рейкою, чисельні розрахунки, висновки; [5] – участь у підготовці та проведенні експерименту, аналіз результатів, висновки; [7] – математичне моделювання процесу гальмування, аналіз результатів, висновки; [8] – запропоновано формулу винаходу; [10] – вивід аналітичних залежностей піднімальної сили і сили в’язкого опору від відносного ковзання, чисельні розрахунки, аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Моня А.Г. Обґрунтування та вибір раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 – гірничі машини. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

Розроблено й апробовано математичну модель гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом. Знайдено залежності коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання в режимі гальмування для різних станів рейкової колії.

Розв’язано задачу про знаходження температурного поля, що виникає в гальмовому диску і фрикційних накладках. Проведено експерименти з визначення відносної температури нагрівання гальмового диска та коефіцієнта тертя фрикційної пари з урахуванням відносної вологості і наявності пилу.

Досліджено процес гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом, що створює пульсуючий гальмовий момент. Розроблено і впроваджено методики вибору раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива та визначення динамічних і кінематичних характеристик привода шахтного локомотива при гальмуванні дисковим гальмом із багатосекторним диском. Обґрунтовано та