МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ДЕРЮГІН ОЛЕГ ВАЛЕНТИНОВИЧ

На правах рукопису

УДК 622. 625. 28

ОБҐРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРУЖНО-ДИСИПАТИВНИХ ЗВ'ЯЗКІВ СИСТЕМИ ПІДВІШУВАННЯ ШАХТНОГО ЛОКОМОТИВА

Спеціальність: 05.05.06 – “ Гірничі машини “

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2000

Дисертація є рукописом

Роботу виконано на кафедрі прикладної механіки Національної гірничої академії України, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Наукові керівники:

доктор технічних наук, професор Мішин Володимир Васильович;

кандидат технічних наук, доцент Сердюк Андрій Олександрович, Національна гірнича академія України, Міністерство освіти і науки України, доцент кафедри прикладної механіки (м.Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ренгевич Олександр Олександрович, Національна гірнича академія України, Міністерство освіти і науки України, професор кафедри рудникового транспорту

(м. Дніпропетровськ),

кандидат технічних наук Лисиця Микола Іванович, Інститут геотехнічної механіки Національної академії наук України, старший науковий співробітник відділу механіки еластомерних конструкцій гірничих машин (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа: Комплексний науково-дослідний і технологічно-конструкторський інститут з проблем Центрального району Донбасу, Міністерство палива та енергетики України, відділ конструювання засобів механізації

(м. Горлівка).

Захист відбудеться “ 28 ” березня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 08.080.06 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України, Міністерство освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Автореферат розісланий “ 28 ” лютого 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Основним сучасним видом транспорту на гірничому підприємстві є локомотивна відкатка. Близько 70% усього вантажопотоку вугільних шахт і майже 100% вантажопотоку на рудниках припадає на локомотивну відкатку, яка здійснюється контактними, акумуляторними та іншими типами шахтних локомотивів.

Забезпечення високої надійності шахтних локомотивів є важливою умовою підвищення продуктивності локомотивної відкатки – основного показника ефективності роботи шахтного транспорту. Головними характеристиками, що визначають роботу шахтного локомотива, є: реалізована сила тяги, надійність та довговічність вузлів та деталей ходової частини.

Специфічні умови експлуатації – відхилення від стандартів і норм геометрії шахтної рейкової колії, зміни коефіцієнта зчеплення у діапазоні від 0,07 до 0,24 (забруднення фрикційних поверхонь кочення рідким брудом), а також недосконалість конструктивних елементів тягового привода шахтного локомотива (відхилення в характеристиках і параметрах тягових двигунів, кінематичних ланцюгах і ланках, наявність зазорів у механізмах привода) інтенсифікують динамічні навантаження в елементах ходової частини. Під час руху шахтного локомотива по рейковій колії ці фактори обумовлюють виникнення значних динамічних складових сил, що зменшують реалізацію тягово-гальмового зусилля та збільшують знос бандажів колісних пар.

Існують різні варіанти технічних рішень з підвищення довговічності елементів ходової частини рейкового транспортного засобу: керований поворот колісних пар; зменшення приведеної жорсткості передавальних механізмів; застосування складених коліс; поздовжньо-поперечної балансирної підвіски тощо, які мають певну галузь застосування, обмежену умовами експлуатації та технічними можливостями виробництва. Одним з перспективних варіантів розв’язання цієї задачі є використання гумометалевих деталей у ролі пружно-дисипативних зв'язків в системі підвішування рейкових транспортних засобів.

Тому обгрунтування раціональних параметрів і встановлення залежностей динамічної взаємодії ланок ходової частини під час руху шахтного локомотива з урахуванням їх пружно-дисипативних властивостей та особливостей фрикційної пари колесо-рейка, що забезпечує зниження динамічного навантаження та підвищує надійність її експлуатації, складає актуальну наукову задачу гірничого машинобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до програми планових досліджень, що проводяться на кафедрі прикладної механіки НГА України, по темах ДП–219 “Теоретичне обґрунтування закономірностей динамічних процесів в елементах механізмів та машин для побудови раціональних шахтних транспортних засобів” (№ держ. реєстрації 0198U005506) і ДП–252 “Теоретичне обґрунтування критеріїв якості та методів оптимізації дискретних механічних систем з в’язкопружними внутрішними і неголономними зовнішніми зв'язками” (№ держ. реєстрації 0100U001822).

Мета роботи – поліпшення тягово-гальмових характеристик та зменшення зносу бандажів колісних пар за рахунок зниження динамічних навантажень ходової частини шахтного локомотива з урахуванням фрикційних характеристик взаємодії колеса та рейки.

Поставлена в роботі мета досягається послідовним вирішенням наступних основних задач:

1. Розробити розрахункову схему ходової частини шахтного локомотива з гумометалевими елементами (ГМЕ) та скласти математичну модель коливань ланок колісно-моторного блоку (КМБ) з урахуванням електродинамічних процесів у перехідних режимах роботи тягового двигуна та нелінійної залежності відносного ковзання при коченні колеса по рейці;

2. Експериментально апробувати результати моделювання коливань ланок КМБ та підтвердити припущення, прийняті при розробці математичних моделей;

3. Виявити вплив пружно-дисипативних параметрів ГМЕ на кінематичні та динамічні характеристики кочення та знос колісних пар;

4. Обґрунтувати раціональні параметри пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування шахтного локомотива;

5. Розробити методики визначення динамічних навантажень у ланках привода КМБ шахтного локомотива і довговічності ГМЕ системи підвішування локомотива К10.

Об'єкт досліджень – процес формування тягово-гальмових зусиль у ходовій частині шахтного локомотива.

Предмет дослідження – система підвішування з пружно-дисипативними зв'язками у ходовій частині шахтного локомотива.

Ідея роботи полягає в обґрунтуванні раціональних параметрів ГМЕ для зменшення зносу бандажів колісних пар за рахунок зниження навантаження в ланках ходової частини та відносного ковзання при коченні коліс по рейці під час руху шахтного локомотива.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на застосуванні системного підходу, науково-технічного узагальнення літературних джерел, теорії коливань та програмування, числових методах розв’язання алгебраїчних та диференціальних рівнянь. Для числових розв’язань використані стандартні прикладні пакети програм ''Mathcad 2000 professional”, ”S-plus 2000” і ”Mathematica 3.0 - 98”. При проведенні експерименту використовувались сучасні методи тензометрування та обробки експериментальних даних шахтних випробувань, методи математичної статистики.

Наукові положення, що захищаються:

1. Застосування пружно-дисипативних зв'язків в системі підвішування ходової частини призводить до зниження величини відносного ковзання при коченні колеса по рейці як у перехідних, так і в стаціонарних режимах під час руху шахтного локомотива;

2. Основними критеріями, які визначають вибір раціональних параметрів ходової частини, є знос бандажів колісних пар при забезпеченні незмінності тягово-гальмових характеристик шахтного локомотива та довговічність ГМЕ, яка визначена на основі енергетичного критерія дисипативного типу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що уперше автором:

- розроблена розрахункова схема ходової частини шахтного локомотива з ГМЕ;

- розроблена математична модель коливань ланок КМБ шахтного локомотива з ГМЕ, що включає динамічну характеристику тягового привода та експериментально отриману характеристику ковзання при коченні колеса по рейці;

- теоретично досліджені та експериментально обґрунтовані раціональні параметри пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування шахтного локомотива, що знижують динамічні навантаження у вузлах ходової частини локомотива та знос бандажів колісних пар.

Обгрунтованість та достовірність наукових результатів підтверджується тим, що розбіжність теоретично отриманих та експериментальних даних становить 15% при надійності 0,95, а також результатами випробувань в шахтних умовах ГМЕ на локомотиві К10.

Наукове значення роботи полягає:

- у теоретичному обґрунтуванні та експериментальному підтвердженні впливу пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування шахтного локомотива на формування кінематичних та динамічних характеристик ланок ходової частини шахтного локомотива;

- в обґрунтуванні раціональних параметрів пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування шахтного локомотива з використанням енергетичного критерію довговічності та оцінки їх впливу на знос бандажів колісних пар.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

- обґрунтовані раціональні параметри пружно-дисипативних зв'язків у системі підвішування шахтного локомотива, що знижують динамічні навантаження у вузлах привода ходової частини на 60% та зменшують знос бандажів колісних пар на 37%;

- розроблені методики розрахунку динамічних навантажень у ланках привода КМБ локомотива и довговічності ГМЕ, які використані при модернізації шахтного локомотива К10.

Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні мети та ідеї роботи, визначенні задач дослідження і наукових положень, виборі методів дослідження, проведенні математичного моделювання та експериментальних досліджень, обробці, аналізі й узагальненні отриманих результатів; здобувачем зроблені висновки і розроблені методики для практичного застосування при проведенні науково-дослідних та конструкторських робіт.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації та її окремих розділів доповідалися на науково-технічних нарадах і семінарах НГА України, ДонВУГІ, ІГТМ НАН України, УЕлНДІ, НВО ДЕВЗ, ДЗГШУ (м. Дніпропетровськ), ДМЗ (м. Дружковка), на Х Міжнародній конференції ''Проблеми механіки залізничного транспорту'' (ДДТУЗТ (ДІІТ), м. Дніпропетровськ, 2000 р).

Реалізація результатів роботи. На шахті ДХК “Краснолиманська” випробувано шахтний локомотив зі встановленими в системі підвішування ГМЕ. Застосування ГМЕ дозволило поліпшити тягово-гальмові характеристики в перехідних режимах, знизити динамічну навантаженість системи буксового підвішування на 60% та зменшити знос бандажів колісних пар на 37%. Використання ГМЕ в системі підвішування шахтного локомотива дозволило одержати економічний ефект 15000 грн. на рік на один локомотив.

Українським електровозобудівним науково-дослідним інститутом (УелНДІ) та науково-виробничим об’єднанням Дніпропетровський електровозобудівний завод (НВО ДЕВЗ) (м. Дніпропетровськ) використані методики розрахунку по визначенню динамічних навантажень у ланках привода колісно-моторного блоку (КМБ) локомотива і визначенню довговічності гумометалевого елемента (ГМЕ) системи підвішування локомотива К10.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображені у 7 наукових роботах: 5 статей в наукових фахових виданнях, теза доповіді на конференції та патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 116 найменувань, містить 170 сторінок машинописного тексту, в тому числі 36 рисунків, 4 таблиці і 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ. Основні експлуатаційні якості шахтних локомотивів, такі як стійкість руху, коефіцієнт використання зчіпної маси та реалізація тягового зусилля залежать від типу, конструктивного виконання та параметрів ходової частини і привода.

Традиційний шахтний локомотив має привод, у якому як виконавчий орган використовується сталеве колесо, що утворює при взаємодії з рейкою фрикційну пару. Дослідження цієї взаємодії має багаторічну історію. У цьому зв'язку необхідно відзначити роботи, проведені такими вченими, як Є.П.Блохін, Г.І.Богомаз, В.П.Єсаулов, І.П.Ісаєв, Дж. Калкер, М.Л.Коротенко, С.М.Куценко, В.А.Лазарян, В.І.Мосаковський, А.П.Павленко, М.С.Поляков, С.Ф.Редько та ін. Питання, пов’язані з поліпшенням експлуатаційних характеристик шахтних та промислових локомотивів знайшли своє відображення в численних наукових працях С.Є.Блохіна, В.О.Браташа, Б.О.Кузнєцова, В.В.Мішина, Є.Є.Новікова, О.О.Ренгевича, О.В.Сладковського, П.С.Шахтаря, В.Г.Шоріна та ін.

Питання використання еластомерів у гірничому машинобудуванні з метою забезпечення високого рівня надійності машин, зменшення вібрації та звукового тиску розглянуті в роботах В.І.Дирди, В.Г.Карнаухова, І.І.Круша, В.П.Надутого, Л.А.Манашкіна, В.М.Потураєва, М.І.Розовського та ін.

Виконані фундаментальні роботи сформулювали систему поглядів на процеси функціонування елементів механічної системи в перехідних та стаціонарних режимах транспортних засобів.

На показники ефективності роботи транспортного засобу значною мірою впливають конструкція та параметри ходової частини, а також умови взаємодії фрикційної пари колесо-рейка. Експлуатаційні характеристики локомотива, такі як сила тяги та гальмування, надійність та довговічність вузлів і деталей ходової частини, стійкість та безпека руху, також залежать від вибору схеми і характеристик системи підвішування, що є найменш довговічним вузлом у механічній системі локомотива.

У різних схемах підвішування магістральних рейкових транспортних засобів широке застосування знаходять гумові і гумометалеві елементи. До їх позитивних якостей варто віднести здатність до сприйняття значних пружних деформацій з високою питомою енергоємністю, високі показники надійності при вібраційних навантаженнях, задовільну стійкість до дії агресивних середовищ, що дозволяє їх застосовувати в структурних ланцюгах та ланках шахтного локомотива.

Ходова частина шахтного локомотива являє собою динамічний об'єкт, збудження коливань в якому обумовлено не тільки чисто кінематичними характеристиками транспортного засобу, але й інерційними збурюваннями, що виникають під час його роботи. Специфічний процес кочення коліс, зв'язаних між собою жорстко за допомогою осі в колісні пари, по поверхні рейкової колії призводить до виникнення великих динамічних навантажень в елементах привода та ходової частини.

Питання поліпшення тягово-гальмових характеристик шахтного локомотива, зниження динамічної навантаженості системи буксового підвішування та зменшення зносу бандажів колісних пар пропонується вирішити в даній роботі за рахунок застосування пружного буксового вузла, якій вміщує ГМЕ, встановлені між поверхнями щелепної напрямної локомотива та буксою.

Особливості експлуатації – часті пуски та останови, жорсткі габаритні обмеження, недосконалість ходової частини (наявність зазорів у буксах, приводі), низький коефіцієнт зчеплення (забруднення поверхні рейкової колії), відсутність протибоксовочних систем значно відрізняють шахтний рейковий транспорт від магістрального і вимагають іншого підходу при проектуванні та оцінці показників їх роботи. Однак недостатнє наукове обґрунтування і мала кількість випробуваних методик розрахунку та вибору раціональних параметрів елементів привода і системи підвішування при нестаціонарних режимах роботи шахтних локомотивів з пружно-дисипативними зв'язками в системі підвішування призводять до завищених значень коефіцієнта запасу міцності, масової характеристики проектованих ланок. Для встановлення залежностей динамічної взаємодії ланок привода ходової частини шахтного локомотива, їх пружних та пружно-дисипативних властивостей і особливостей характеристики фрикційної пари колесо-рейка, необхідно визначити залежність коефіцієнта зчеплення від відносного ковзання при коченні колеса по рейці, знайти температурний режим ГМЕ, що визначає їх довговічність, та розробити методики розрахунку по визначенню конструкційних розмірів ГМЕ, марки гуми та її механічних параметрів.

Другий розділ присвячений дослідженню поздовжньої динаміки шахтного локомотива з ГМЕ, вивченню впливу їх пружно-дисипативних властивостей на динамічні та кінематичні параметри елементів ходової частини при різних експлуатаційних режимах руху.

Дослідження робочих характеристик і конструктивних рішень елементів КМБ здійснено за допомогою математичного моделювання динаміки КМБ як багатомасової системи з зосередженими параметрами, суттєво нелінійними характеристиками фрикційної пари колесо-рейка та електродинамічними характеристиками тягового двигуна. Динамічна модель КМБ шахтного локомотива представлена у вигляді інерційних тіл, зв'язаних між собою пружними і пружно-дисипативними зв'язками. Розрахункова схема КМБ шахтного локомотива К10 (див. рис.1) містить раму, тяговий електродвигун, редуктор, піввісь з колісними парами та гумометалеві елементи.

Лінійні переміщення уздовж осі колії позначені через , кутові – через . Позитивні значення лінійних переміщень прийняті уздовж відповідних осей. Кутові – спрямовані проти годинникової стрілки, якщо дивитися з боку позитивного напрямку відповідних осей.

Рис. 1. Розрахункова схема КМБ шахтного локомотива К10:

1 – тяговий двигун; 2 – передавальний механізм; 3 – колісна пара;

4 – пружний буксовий вузол; 5 – рама шахтного локомотива

Рівняння коливань отримані з використанням рівняння Лагранжа другого роду. Коливання КМБ локомотива описуються системою диференціальних рівнянь другого порядку з постійними коефіцієнтами. При складанні математичної моделі використана характеристика тягового двигуна, що враховує електродинамічні процеси в перехідних режимах, та нелінійна характеристика зчеплення.

Відповідно до розрахункової схеми (рис. 1) рівняння коливань КМБ шахтного локомотива з індивідуальним приводом і пружним буксовим вузлом мають вигляд:

+;

де - приведена маса локомотива; - маса вихідних ланок; - відповідно лінійне переміщення, лінійна швидкість та лінійне прискорення локомотива; - відповідно лінійне переміщення, лінійна швидкість та лінійне прискорення відповідних коліс; - відповідно узагальнені кутові координати, кутова швидкість та кутове прискорення ланок КМБ; - радіус “”-го колеса; - час; - момент інерції “”-ї ланки; - коефіцієнти відповідно жорсткості і в’язкого опору півосей КМБ;

- коефіцієнти відповідно жорсткості і в’язкого опору ГМЕ, встановлених у системі буксового підвішування; - передаточне число редуктора; - відповідно сумарна величина індуктивності обмоток якоря та збудження і сумарний опір обмоток; - відповідно напруга та струм якоря тягового електродвигуна;

- обертальний момент на валу тягового електродвигуна: ,

де - добуток постійних, залежний від параметрів тягового електродвигуна;

- момент повороту тягового електродвигуна відносно осі колісної пари:

,

де - відстань від осі колісної пари до осі підвіски тягового електродвигуна;

- переміщення вузла підвішування привода КМБ відносно осі колісної пари;

- коефіцієнт жорсткості пружного елемента вузла підвіски привода КМБ;

- момент сили опору на колесах, : ,

де - нормальне навантаження, що припадає на колесо; - коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою, залежний від відносного ковзання:

, (2)

де - відносне ковзання, ; – числові коефіцієнти механічної характеристики фрикційної пари, .

Використана при рішенні системи рівнянь експериментально отримана характеристика (2) відносного ковзання при коченні колеса по рейці дозволяє виділити характерні режими роботи тягового привода шахтного локомотива в залежності від динамічних процесів, що в них розвиваються, та уточнити структуру математичної моделі для конкретних режимів (квазістаціонарних, реалізації граничних зчіпних властивостей в умовах тяги й гальмування і нестаціонарних).

Розв’язання системи рівнянь (1) для різних експлуатаційних режимів руху шахтного локомотива з пружною і жорсткою буксою виконано числовим методом Рунге-Кутта для жорсткісних і масо-інерційних числових значень параметрів локомотива К10 за допомогою пакета прикладних програм ''Mathematica 3.0-98''.

Результати розв’язку подані у вигляді графічних залежностей, що відбивають зміну в часі узагальнених координат лінійних та кутових переміщень, швидкостей і прискорень, а також силових параметрів відповідних ланок КМБ, що впливають на поздовжню динаміку шахтного локомотива з індивідуальним приводом. На рис. 2 а, б приведені зміни з часом поздовжнього переміщення буксового вузла відносно рами і величина відносного ковзання під час розгону для буксового вузла при наявності пружно-дисипативних зв'язків в системі підвішування. На рис. 3 а, б приведені зміни в часі поздовжнього переміщення буксового вузла відносно рами і величини відносного ковзання при розгоні для існуючої системи підвішування. Відсутність пружно-дисипативних зв'язків в системі підвішування призводить до того, що букса своєю бічною поверхнею періодично вдаряє по напрямній рами локомотива, збільшуючи динамічну навантаженість елементів ходової частини.

а) |

б)

Рис. 2. Зміна з часом поздовжнього переміщення буксового вузла відносно рами та величини відносного ковзання колеса по рейці при наявності пружно-дисипативних зв'язків в системі підвішування шахтного локомотива при розгоні

а) |

б)

Рис. 3. Зміна з часом переміщення буксового вузла відносно рами та величини відносного ковзання колеса по рейці шахтного серійного локомотива К10 при розгоні

Порівняння отриманих залежностей дозволяє зробити висновок про те, що при наявності пружно-дисипативних зв'язків в системі підвішування шахтного локомотива зменшуються тривалість часу перехідного процесу в три рази і динамічна навантаженість елементів ходової частини на 60%, а ковзання зменшується в 1,8 рази.

Для підтвердження результатів математичного моделювання були проведені експериментальні дослідження характеристик локомотива з пружно-дисипативними зв'язками в системі підвішування в шахтних умовах. На рис. 4 приведена осцилограма поздовжніх переміщень буксового вузла та зміни тягового зусилля локомотива при наявності ГМЕ в системі підвішування.

Рис. 4. Осцилограма поздовжніх переміщень буксового вузла та зміна тягового зусилля шахтного локомотива з пружно-дисипативними зв'язками в системі підвішування при експлуатаційному режимі – розгін: 1–поздовжнє переміщення буксового вузла відносно рами; 2 – зміна тягового зусилля; 3 – переміщення колеса; 4 – шлях, пройдений шахтним локомотивом

Аналіз результатів експериментів дозволив зробити висновок, що результати математичного моделювання та експериментальних досліджень корелюються при імовірності 0,95 з довірчим інтервалом 15%, що свідчить про вірогідність результатів математичного моделювання.

В третьому розділі обґрунтовано вибір раціональних параметрів пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування шахтного локомотива.

Застосування ГМЕ в системі буксового підвішування потребує вибору марки гуми, обґрунтування їх конструкційних форм, визначення температури теплотворення і довговічності при відомих параметрах навантаження та режимах експлуатації.

Довговічність ГМЕ визначена за допомогою енергетичного критерію дисипативного типу, що об’єднує термодинаміку процесів руйнування та механіку суцільного середовища. Згідно цього критерію руйнування системи відбувається в той момент, коли щільність енергії руйнування досягне деякої критичної величини, що є постійною характеристикою матеріалу.Розподіл температури в перетині масиву ГМЕ визначається рівнянням стаціонарної теплопровідності виду:

, (3)

де - збільшення температури нагрівання ГМЕ; - коефіцієнт теплопровідності гуми; - функція джерела, яка визначається усередненою за цикл деформування сумарною величиною енергії дисипації. Приймаючи лінійний закон деформування ГМЕ, функція дисипації буде мати наступний вигляд:

, (4)

де - модуль пружності гуми; - амплітуда навантаження ГМЕ; - частота навантаження ГМЕ; - коефіцієнт поглинання енергії.

Граничні умови, що відбивають теплообмін між гумою та повітрям, гумою та металом за законом Ньютона – Ріхмана:

при ;

при ;

при ,

де - коефіцієнт теплообміну між гумою та повітрям; - коефіцієнт теплообміну між гумою та металом; - геометричні розміри ГМЕ.

Рівняння (3) і (5) були зведені до системи лінійних алгебраїчних рівнянь відносно коефіцієнтів апроксимації рішення розподілу температури.

На рис. 5 наведені графіки теплотворення в ГМЕ з гуми марки НО-68-1 для відповідних експлуатаційних режимів.

- експеримент

______ - розрахунок

а) |

- експеримент

______ - розрахунок

б)

Рис.5 Розподіл температури теплотворення в шарі ГМЕ при різних експлуатаційних режимах і різних коефіцієнтах зчеплення колеса з рейкою:

а) – ?=0,1; б) – ?=0,2

Величина довговічності являє собою число годин роботи ГМЕ до початку необоротних процесів (поява тріщин від утомленності, втрата ГМЕ несучої здатності, зменшення жорсткості і т.ін.) і визначається залежністю:

, (6)

де – коефіцієнти, що визначають розподіл температури в шарі ГМЕ; – критична величина щільності енергії руйнування. Теоретично розраховані величини температури теплотворення і довговічності ГМЕ задовільно збігаються з результатами експериментальних досліджень.

В четвертому розділі розглядається знос бандажів колісних пар, обумовлений відносним ковзанням колеса по рейці, і вплив пружно-дисипативних властивостей ГМЕ системи підвішування на величину зносу.

При встановленні залежностей спрацювання з часом користувались не лінійним, а масовим критерієм зносу. Зносостійкість поверхні кочення коліс характеризується енергетичною інтенсивністю зношення, що представляє собою масу зношеного матеріалу, віднесену до роботи сил тертя. Це дозволяє найбільш повно судити про динаміку процесу зносу. Знос бандажів визначали експериментально шляхом зняття зліпків з робочої поверхні кочення та аналізу темплетів. Роботу сил тертя фрикційної пари колесо-рейка визначали по формулі:

, (7)

де – швидкість руху шахтного локомотива.

На рис.5, 6 приведені залежності масового зносу бандажів колісних пар в часі для пружної і жорсткої букс відповідно для шахтних локомотивів К10 і АМ8Д.

------- – експеримент

_____ – розрахунок

Рис. 5. Залежність масового зносу бандажів колісних пар шахтного локомотива К10 у часі:

1 – жорстка букса; 2 – пружна букса |

------- експеримент

_____ – розрахунок

Рис. 6. Залежність масового зносу бандажів колісних пар шахтного локомотива АМ8Д у часі:

1 – жорстка букса; 2 – пружна букса

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконані науково-обгрунтовані технічні розробки, що базуються на основі аналізу процесів, які відбуваються у механічній системі шахтного локомотива з дисипативними зв’язками в системі буксового підвішування.

Отримано нове розв’язання задачі динаміки істотно нелінійної механічної системи з розгалуженим кінематичним ланцюгом і пружно-дисипативними зв'язками. На підставі числового розв’язання та експериментального дослідження коливань КМБ шахтного локомотива отримані залежності лінійних і кутових переміщень, швидкостей і прискорень, а також силових параметрів, що впливають на поздовжню динаміку локомотивів з жорсткими та пружними буксовими вузлами при різних режимах руху.

Запропонована за результатами розв’язання теоретичної задачі конструкція буксового вузла з ГМЕ зменшує динамічну навантаженість вузлів КМБ на 60%, ковзання – в 1,8 рази, тривалість перехідного процесу – більш ніж у 3 рази, знос бандажів – на 37%. У сукупності запропоновані результати представляють вирішення актуальної задачі – поліпшення експлуатаційних показників шахтного локомотива та підвищення довговічності буксових вузлів і бандажів, що має важливе народногосподарське значення.

За результатами виконаних досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Уперше розроблена математична модель шахтного локомотива, що враховує пружно-дисипативні зв'язки елементів ланок привода та ходової частини, а також динаміку перехідних процесів у тяговому двигуні і характеристику зчеплення фрикційної пари колесо-рейка.

2. Уперше отримані зміни в часі кінематичних та силових параметрів ланок для жорстких і пружних буксових вузлів при різних режимах руху шахтного локомотива, що впливають на його поздовжню динаміку і тягово-гальмові характеристики.

3. Установлено, що тривалість перехідного процесу в КМБ з пружно-дисипативними зв'язками в системі підвішування втричі нижче в порівнянні з жорстким буксовим вузлом, зменшується ковзання при коченні колеса по рейці в 1,8 рази.

4. Визначено, що динамічна навантаженість механічної системи локомотива мінімальна, якщо ГМЕ виготовлені з гуми марки НО-68-1, з наступними параметрами і .

5. Розрахована залежність температури теплотворення в ГМЕ від силової дії буксового вузла для різних експлуатаційних режимів руху локомотива. Так для ГМЕ з гуми НО-68-1 температура теплотворення при розгоні складає , при гальмуванні – .

6. За допомогою енергетичного дисипативного критерію визначена довговічність ГМЕ та отримана їх залежність від параметрів руху, навантаженності. Для ГМЕ з гуми НО-68-1 довговічність складає 800 годин.

7. Експериментально досліджено та теоретично обґрунтовано вплив пружно-дисипативних властивостей ГМЕ на знос бандажів колісних пар. Установлено, що застосування ГМЕ в системі буксового підвішування зменшує знос бандажів колісних пар на 37%.

8. Розроблено методики по визначенню динамічних навантажень у ланках КМБ шахтного локомотива для різних експлуатаційних режимів роботи і довговічності гумометалевого елемента системи підвішування шахтного локомотива К10.

9. Економічний ефект від впровадження ГМЕ в систему підвішування складає 15000 грн. на рік на один локомотив.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Сердюк А.А., Мишин В.В., Дерюгин О.В. О продольной динамике рельсового транспортного средства с групповым приводом // Тяжёлое машиностроение. – 1998. - №4. – С. 32 – 34.

2. Дерюгин О.В. Динамическая модель шахтного локомотива с упруго-вязкими продольными связями в ходовой части // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 1998.– №3. – C. 92-93.

3. Сердюк А.А., Мишин В.В., Дерюгин О.В. О сопоставимости параметров шахтных локомотивов с индивидуальным и групповым приводом // Изв. вузов. Горный журнал. – 1998.- №11-12. – С. 127-129.

4. Сердюк А.А., Дерюгин О.В. Динамика переходных процессов в звеньях привода и ходовой части шахтного локомотива // Гірнича електромеханіка і автоматика. – Наук. – техн. зб. – 1999. –Вип. 4(63). – С. 153 – 158.

5. Зиборов К.А., Сердюк А.А., Дерюгин О.В. Экспериментальное определение характеристик сцепления шахтного локомотива при кинематических и силовых несовершенствах // Вібрації у техніці та технологіях. – 2000. – №4(16). – С. 60-63.

6. Сердюк А.А., Дерюгин О.В., Ходос О.Г. Влияние упруго-диссипативных связей на долговечность ходовой части шахтного локомотива // Проблемы механики железнодорожного транспорта. Тезисы докладов X Междун. конф.– Днепропетровск, ДГТУЖТ (ДИИТ). 2000. – С. 197-198.

7. Патент № 32976 А. Україна. Буксове підвішування колісної пари локомотива. // Мішин В.В., Дерюгін О.В. – 3 с. іл.; Надруковано 15.02.01 Бюл. № 1.

Особистий внесок у роботи, написані в співавторстві: розробка математичної моделі механічної системи транспортного рейкового засобу з груповим приводом [1], розробка розрахункової схеми і методу рішення [3], розробка математичної моделі КМБ локомотива, її рішення й аналіз [4], розробка математичної моделі взаємодії фрикційної пари на поверхні контакту [5], аналіз формування динамічних навантажень у жорсткому та пружному буксових вузлах [6], конструкція зв'язку ГМЕ з буксою шахтного локомотива [7].

АНОТАЦІЯ

Дерюгін О.В. Обґрунтування раціональних параметрів пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування шахтного локомотива. Рукопис.

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

Захищаються теоретичні та експериментальні дослідження, виконані з метою з'ясування впливу дисипативних зв’язків у системі буксового підвішування щодо зменшення динамічних навантажень вузлів механічної системи шахтного локомотива і зносу бандажів колісних пар.

Отримано залежності між динамічними та кінематичними параметрами з урахуванням пружно-дисипативних зв’язків у системі підвішування шахтного локомотива і характеристики фрикційної пари колесо-рейка.

Результати роботи викладено в 5 наукових статтях, тезі доповіді на конференції та патенті України.

Ключові слова: шахтний локомотив, колісно-моторний блок, гумометалевий елемент, пружно-дисипативні зв'язки, система підвішування, раціональні параметри, довговічність.

АННОТАЦИЯ

Дерюгин О.В. Обоснование рациональных параметров упруго-диссипативных связей системы подвешивания шахтного локомотива. Рукопись.

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

Целью работы является улучшение тягово-тормозных характеристик, снижение износа бандажей колёсных пар и повышение долговечности основных элементов шахтного локомотива.

Идея работы состоит в обосновании рациональных параметров упруго-диссипативных элементов системы подвешивания, обеспечивающих уменьшение динамической нагруженности ходовой части и скольжения колёс при движении шахтного локомотива по рельсовому пути, с целью уменьшения износа бандажей колёсных пар.

Впервые разработана математическая модель колебаний колёсно-моторного блока шахтного локомотива с упруго-диссипативными связями в системе подвешивания, включающая электродинамическую характеристику тягового двигателя и нелинейную характеристику относительного скольжения колеса по рельсу. Результаты математического моделирования представлены в виде графических зависимостей кинематических и динамических параметров звеньев для жёстких и упругих буксовых узлов при различных режимах движения шахтного локомотива, влияющих на его продольную динамику и определяющие его тягово-тормозные характеристики. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что наличие упруго-диссипативных связей в системе подвешивания шахтного локомотива уменьшает продолжительность переходного процесса в 3 раза, динамическую нагруженность звеньев ходовой части на 60%, величину относительного скольжения в 1,8 раза.

Разработаны методики по определению динамических нагрузок в звеньях колёсно-моторного блока шахтного локомотива для различных эксплуатационных режимов работы и долговечности резинометаллических элементов системы подвешивания шахтного локомотива К10.

Обоснован выбор рациональных параметров резинометаллических элементов и с использованием энергетического критерия диссипативного типа рассчитана его долговечность. Так для резинометаллических элементов из резины марки НО-68-1 она составляет 800 часов.

Установлено влияние упруго-диссипативных свойств резинометаллических элементов на уменьшение износа бандажей колёсных пар. Применение упруго-диссипативных связей в системе подвешивания шахтного локомотива уменьшает износ бандажей на 37%.

Результаты работы изложены в 5 научных статьях, тезисах доклада на конференциии и патенте Укрины.

Ключевые слова: шахтный локомотив, колёсно-моторный блок, резинометаллический элемент, упруго-диссипативные связи, система подвешивания, рациональные параметры, долговечность.

SUMMARY

Deryugin O.V. The substantiation of rational parameters resiliently-dissipation intercourses of system of suspension of the mine locomotive. The manuscript. The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.05.06 – “ Mining machines ”.–National mining academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2000.

Theoretical and experimental researches executed with the purpose of making out of influence dissipation intercourses in system axle-box of suspension on lowering of dynamic loads of units of mechanical system of the mine locomotive and wear bandages of wheel pairs are defended. The dependences between dynamic are received and kinematic parameters with the record-keeping wheel - rail resiliently-dissipation intercourses in system of suspension of the mine locomotive and characteristic of frictional pair are received got. The results of the thesis are set in 5 scientific articles, theses of the report and patent of Ukrain.

The key words: the mine locomotive, wheel-motor block, rubber-metal element, resiliently-dissipation intercourses, system of suspension, rational parameters, durability.