МІНІСТЕРСТВО освіти І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРнича АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

УДК 622.625.28

СЕРДЮК АНДРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ ПО ПІДВИЩЕННЮ ХодовиХ ХАРАКТЕРИСТИК ШАХТНИХ ЛОКОМОТИВІВ

Спеціальність:

05.05.06 – ”Гірничі машини”

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора 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 консультанти: доктор технічних наук, професор

Мішин Володимир Васильович

доктор технічних наук, професор Блохін Сергій Євгенович, Національна гірнича академія України, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри будівельної та теоретичної механіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Волошин Олексій Іванович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України, завідувач відділу вібропневмотранспорту;

доктор технічних наук, професор Семенченко Анатолій Кирилович, Донецький державний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, професор кафедри гірничих машин;

доктор технічних наук, професор Сладковський Олександр Валентинович, Національна металургійна академія України, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри прикладної механіки.

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

Захист відбудеться “_25___” жовтня 2000 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

Автореферат розісланий “_25___“ вересня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Анциферов О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальна технічна проблема сучасного гірничого машинобудування – створення шахтних локомотивів з підвищеними тягово-гальмовими характеристиками та високою стійкістю руху під час роботи на криволінійних ділянках.

Для розв'язання зазначеної проблеми відомі такі технічні рішення, як модернізація ходової частини (футеровка коліс, керований поворот колісних пар, гребенезмазувачі, пружно-дисипативні зв'язки колісних пар з рамою, поздовжні та поперечні балансири зі стабілізаторами), застосування приводу з опорно-рамним підвішуванням і кінематичний зв'язок між колісними парами (груповий привід). На цей час розроблені локомотиви, що складаються з платформи-модуля та двох тягових секцій, а також секційні локомотиви з окремих тягових секцій.

Упровадження даних технічних рішень без наукового обгрунтування призводить до ускладнень при експлуатації шахтних локомотивів (високі стійкість і тяга, але недостатнє вписування і низькі гальмові характеристики). Необхідно встановити закономірності між конструктивними, компонувальними параметрами та динамічними характеристиками на відповідних математичних моделях, що описують названі технічні рішення. Існуючі інженерні методи розрахунку елементів ходової частини шахтного локомотива рамного компонування для цього непридатні. Тому розробка наукових основ технічних рішень по підвищенню тягово-гальмових характеристик і зниженню енерговитрат шахтних локомотивів з високою стійкістю руху на рейковій колії з недосконалостями, обумовленими гірським тиском, забрудненням і обводненням, радіусами кривизни 5-15 м, ухилами до 100 і знакозмінному профілі при жорстких габаритних обмеженнях, являє собою актуальну наукову проблему.

Дисертаційна робота виконана відповідно до планових досліджень, передбачених міжгалузевою програмою “Створення високотехнологічних схем і засобів шахтного транспорту”, а також є складовою частиною досліджень, виконаних Національною гірничою академією України за госпдоговорами з ДХК “Павлоградвугілля”, ВО “Луганськтепловоз”, Дніпропетровським заводом гірничо-шахтного устаткування, Марганецьким ГЗК і за планом тематичних держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України (госптеми: № держ. регістрації 01900060351 “Розробка вдосконаленої ходової частини електровоза 4КР-600 і вагонетки ВПГ-12 з покращеними динамічними характеристиками”, в якій здобувач був відповідальним виконавцем; держбюджетними темами ГП – 47 “Теоретичне обгрунтування вибору параметрів, інженерна побудова семейства секційних шахтних локомотивів з підвищенними експлутаційними показниками” № держ. регістрації 01910019996, ГП – 147 “Оптимізація параметрів системи підвішування ходової частини шахтних локомотивів”, № держ. регістрації 0194U009470, ГП – 219, ГП – 252 в яких здобувач був науковим керівником).

Мета роботи – наукове обгрунтування та розробка технічних рішень підвищення тягово-гальмових характеристик, стійкості руху, зниження енерговитрат при експлуатації шахтних локомотивів.

Задачі досліджень і, відповідно, основні етапи вирішення поставленої проблеми полягають у наступному:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об’єкт досліджень – процес взаємодії системи підвішування ходової частини шахтних локомотивів з рейковою колією, яка має недосконалості, обумовлені гірським тиском, забрудненням і обводненням, радіуси кривизни 5-15 м та ухили до 100.

Предмет дослідження – компонувальні схеми, конструкції систем підвішування та параметри пружно-дисипативних зв'язків ходової частини шахтних локомотивів.

Ідея роботи полягає у визначенні конструкції систем підвішування шахтних локомотивів при розгляді просторових коливань та оптимізації параметрів пружно-дисипативних зв'язків з урахуванням динамічних характеристик як багатомасових нелінійних механічних систем.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на застосуванні методів математичного моделювання і зокрема на використанні теорії механічних коливань та прикладної теорії пружності, механіки композиційних матеріалів, теорії стійкості, математичних методів аналітичної і диференціальної геометрії, функціонального аналізу, теорії диференціальних рівнянь, числових та ітераційних методів розв’язку, методів оптимізації. При проведенні випробувань у реальних умовах використовувалися сучасні методи тензометрування, обробки експериментальних даних, математичної статистики та планування експерименту.

Наукові положення, що захищаються:

1.

2.

3.

4.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень обумовлені використанням припущень, які звичайно застосовуються в подібних дослідженнях, і апробованих методів розв’язку систем диференціальних рівнянь, що описують рух шахтних локомотивів, як багатомасових нелінійних механічних систем; використанням при проведенні експериментальних досліджень стандартної апаратури та випробованих методів обробки результатів; узгодженням результатів розрахунків і експериментів (розбіжність динамічних показників не перевищує 25% з імовірністю 0,95); позитивним досвідом експлуатації дослідно-промислової партії шахтних локомотивів Е10 модульно-візкового компонування (ДХК “Павлоградвугілля”, шахта “Тернівська”).

Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше:

-

-

-

-

-

Наукове значення полягає:

-

-

-

Практичне значення роботи полягає в розробці методичних рекомендацій з розрахунку динамічних характеристик шахтних локомотивів під час руху рейковою колією з реальними параметрами збурень і з вибору оптимальних параметрів шахтних локомотивів рамного і секційного компонувань; розробці компонувальних і технічних рішень модульно-візкового компонування, що дозволяють підвищити стійкість руху та тягово-гальмові характеристики шахтних локомотивів, знизити енерговитрати при транспортуванні состава на знакозмінному профілі колії з ухилами в межах до 100.

Упровадження роботи: за замовленням ДХК “Павлоградвугілля” розроблені технічне завдання і робоча документація на електровоз модульно-візкового компонування Е10; ВО “Луганськтепловоз” виготовлена дослідно-промислова партія шахтних локомотивів Е10, що працюють на шахті “Тернівська” ДХК “Павлоградвугілля”; Український електровозобудівний НДІ використував методичні рекомендації щодо вибору раціональних параметрів ходової частини шахтних локомотивів модульно-візкового компонування; методичні рекомендації з розрахунку динамічних характеристик шахтного рейкового транспорту використані Дніпропетровським заводом гірничо-шахтного устаткування при модернізації ходової частини вагонеток; Марганецький ГЗК упровадив модернізовану ходову частину шахтних локомотивів 4КР і вагонеток ВПГ.

Упровадження результатів роботи дає фактичний економічний ефект 675 тис. грн. на один електровоз в цінах 1998 року при експлуатації шахтних локомотивів Е10 на трьох підготовчих вибоях шахти “Тернівска” ДХК “Павлоградвугілля” при поздовжньому схилі рейкової колії 30-50 .

Апробація роботи. Основні положення дисертації регулярно доповідалися на науково-технічних нарадах і семінарах НГА України, ДонВУГІ, ІГТМ НАН України, ДПІ, УЕлНДІ, ЗДУ, ДІІТ, ІГС ім.А.А.Скочинського, МДТТУ, ДХК “Павлоградвугілля”, ВО “Луганськтепловоз”, НВО ДЕВЗ, Ясногірського та Дружківського машинобудівних заводів, Дніпропетровського заводу гірничо-шахтного устаткування, Марганецького ГЗК; на IV Всесоюзній науково-технічній конференції спеціалістів вугільної промисловості СРСР (м.Москва, 1989), Всесоюзній конференції “Техніка і технологія гірничого виробництва” (м.Дніпропетровськ, 1990), Всесоюзній конференції “Ефективні числові методи розв’язання крайових задач механіки твердого деформованого тіла” (м.Харків, 1989), Міжнародній конференції “Рудниковий транспорт” (м.Дніпропетровськ, 1997), Всесоюзній конференції “Нове в підйомно-транспортному машинобудуванні” (м.Москва, 1991), Міжнародній конференції “Підйомно-транспортне машинобудування” (м.Запоріжжя, 1998), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції ”Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання та технологій переробки мінеральної сировини” (м.Дніпропетровськ, 1999), Х Міжнародній конференції “Проблеми механіки залізничного транспорту” (м.Дніпропетровськ, 2000).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 26 статей у фахових виданнях (11 – без співавторів), отримано 3 авторських свідоцтва на винаходи, 3 патенти, видано 8 тез доповідей на конференціях – усього в 40 наукових роботах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 264 назв, містить 350 сторінок машинописного тексту, у тому числі 7 таблиць, 80 рисунків і 21 додаток.

Декларація особистого внеску автора в розробку наукових результатів, що виносяться на захист, включає: формулювання наукової проблеми, мети, основної ідеї та наукових положень, постановку та вирішення основних задач досліджень на основі розробки теорії фрикційних пар шахтного локомотива, створення методів оптимізації та критеріїв якості на основі параметричної і узагальненої моделі системи підвішування. Всі теоретичні та експериментальні дослідження виконані під науковим керівництвом автора і з його безпосередньою участю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Серед різних видів підземного транспорту в магістральних горизонтальних виробках основним є локомотивний транспорт, за допомогою якого на вугільних шахтах здійснюється близько 90% від загального обсягу перевезень, а на підземних рудниках – майже весь обсяг. Завдяки своїй універсальності, високій надійності (за рахунок простого резервування) та економічності (при значних відстанях) він й надалі відіграватиме домінуючу роль.

Питання розв’язку задач розрахунку сил взаємодії складу і шляху магістральних локомотивів вивчали такі відомі вчені, як Є.П.Блохін, М.Ф.Вериго, Ю.В.Дьомін, М.Л.Коротенко, С.М.Куценко, В.А.Лазарян, В.Б.Медель, Ю.С.Ромен, В.Ф.Ушкалов. Подібні дослідження стосовно до екіпажів промислового рухомого состава знайшли відображення у працях С.Є.Блохіна, В.О.Браташа, А.Л.Голубенка, Й.В.Дановича, В.П.Єсаулова, В.М.Кашникова, М.О.Радченка, С.Ф.Редька, О.В.Сладковського.

Шахтний локомотивний транспорт, маючи багато спільного в теорії тягових розрахунків з іншими видами транспорту (міським, промисловим та магістральним), докорінно відрізняється від них технологічними схемами, технічними засобами й основними параметрами у зв’язку з особливими умовами роботи (специфічний стан рейкового шляху, обумовлений гірським тиском, забрудненням і обводненням, радіуси кривизни 5-15 м, ухили в межах 100 і знакозмінний профіль шляху, жорсткі габаритні обмеження), що вимагають іншого підходу до розрахунку, проектування та встановлення його оптимальних параметрів.

Засновник рудникової електровозної тяги Ф.М. Шклярський обгрунтував для розрахунку метод постійних прискорень, описав конструкції електровозів, електричних схем, тягових підстанцій і акумуляторів. Подальший розвиток рудникової електровозної тяги відбито в працях С.А.волотковського, Б.О.Кузнецова, В.В.Мішина, Є.Є.Новикова, М.С.Полякова, О.О.Ренгевича, А.О.Співаковського, П.С.Шахтаря.

Багато які питання теорії, проектування, експлуатації та оптимізації шахтного локомотивного транспорту висвітлені в працях Я.Б.Кальницького, К.К.Кузнецова, М.О.Малевича, В.О.Пономаренка, А.В.Рысьєва, Г.І.Солода, М.Т.Карелина, З.М.Лейтеса, Й.Й.Лівшиця, С.І.Лопатіна, Г.Я.Паланта, В.Г.Шоріна.

В опублікованих раніше роботах з шахтного локомотивного транспорту досліджуються окремі його ланки із дуже обмеженою кількістю та діапазоном зміни варійованих параметрів, впливових чинників і взаємозв'язків між ними. В усіх відомих роботах параметри електровозів визначаються без прямого узгодження їх тягових і гальмових засобів і стійкості руху, що має місце в практиці проектування таких машин. У працях Б.О.Кузнецова розглядаються задачі по знаходженню зусиль, які діють на локомотиви в кривій, вирішені задачі визначення сил, що діють на колеса локомотива, та коефіцієнтів запасу стійкості при вході в криву. О.О.Ренгевич і П.С.Шахтарь дослідили динаміку приводу і ходової частини шахтних локомотивів.

Сьогодні весь парк шахтних і рудникових локомотивів, що серійно випускаються в країні, має рамну конструкцію й обладнаний підвіскою ходової частини з щелепними направляючими. При зовнішній простоті конструкції вона має недоліки, що знижують загальний технічний рівень машини. Зокрема, монтажні перекоси щелеп однієї колісної пари призводять до обмеженої рухливості букс і заклиненню, потім у процесі експлуатації по мірі спрацювання поверхонь, що труться, зазори можуть значно збільшуватися, змінюючи розміщення колісних пар на рейках. Тому дослідження, спрямовані на визначення раціональних параметрів і модернізацію ходової частини шахтних локомотивів, вивчення динамічної роботи елементів колії, сприятимуть скороченню витрат на ремонтні заходи, підвищенню безпеки руху, збільшенню тягово-гальмових характеристик і швидкості руху, що в остаточному результаті визначає можливість зростання продуктивності гірничовидобувних підприємств.

У зв'язку з цим вирішення згаданих задач для народного господарства є досить актуальним. Без розв’язання цієї проблеми бачаться неможливими розробка загальних методів визначення раціональних параметрів ходової частини шахтних локомотивів, обгрунтування вимог на проектування нових перспективних шахтних локомотивів та модернізацію нинішніх з урахуванням специфічних умов експлуатації.

Ефективність роботи шахтних локомотивів

До основних параметрів шахтних локомотивів відносять зчіпну масу, силу тяги, швидкість руху та коефіцієнт тяги, який не можна вважати незалежним. Зчіпна маса регламентована типажним рядом, а сила тяги і швидкість визначаються характеристикою двигуна, зчіпною масою та коефіцієнтом тяги. При обмеженнях, що накладаються на габарити, жорстку базу електровоза, типовими електродвигунами і конструктивними рішеннями ходової частини та компонування приводу істотно обмежена сфера пошуку оптимальних параметрів шахтних локомотивів. Тому існуючий на практиці розрахунок зводиться до вибору маси состава по зчепленню, гальмуванню, перевірці його щодо нагрівання двигунів для заздалегідь обраного типу локомотива. Більш широкі можливості пошуку раціональних параметрів локомотива мають його секційна і модульна побудови, застосування ходової частини і компонування приводу, що забезпечують рівномірний розподіл маси по колісних парах, візках, виконання коліс складеними і футерованими полімерами.

Спираючись на викладене, можна сформулювати мету роботи: дослідження динаміки шахтних локомотивів і їх вплив на елементи колії, оцінка впливу технічних рішень (конструкція ходової частини, футеровка коліс, секційне та візкове компонування) на підвищення тягово-гальмових характеристик, стійкості руху і зниження енерговитрат, розробка методики визначення раціональних компонувальних рішень і значень пружно-дисипативних параметрів ходової частини шахтних локомотивів на стадії проектування.

У цілому дисертація являє собою розробку моделі просторових коливань шахтних локомотивів на основі узагальнення аналітичних і числових методів розрахунку, експериментальних досліджень динамічних сил і переміщень, що виникають під час руху шахтних локомотивів колією довільного контура (з урахуванням її нерівностей у плані та профілі), і присвячена вирішенню важливої народногосподарської проблеми істотного підвищення стійкості, тягово-гальмових характеристик і безпеки руху рухомого состава, скорочення експлуатаційних витрат і загалом збільшення продуктивності гірничовидобувних підприємств за рахунок застосування нових компонувальних рішень, удосконалення ходової частини шахтних локомотивів і вписування рухомого состава у криві малого радіуса.

Постановка задачі оптимізації параметрів системи підвішування шахтних локомотивів

Використання методів оптимізації дає можливість від традиційної задачі аналізу динаміки спроектованої системи перейти до задачі синтезу конструкції. Загальні питання проектування оптимальних систем відображені в роботах Д.І.Батіщева, І.М.Соболя, Р.Б.Статникова, Л.А.Растригіна. Оптимізації параметрів залізничного транспорту присвячені праці В.А.Лазаряна, М.Л.Коротенка, Т.А.Тібілова, гірничотранспортних машин та устаткування – О.В.Докукіна, О.І.Волошина, А.К.Семенченка. Отримані при вирішенні результати можуть служити базою для розробки методів оптимізації ходової частини по критеріях якості, що грунтуються на силових взаємодіях колеса на колію.

При формуванні цільових функцій для оптимізації параметрів ходової частини за основу візьмемо динамічні показники, а за функціональні обмеження – максимальні амплітуди коливань, що визначають вихід за габарит, коефіцієнт запасу стійкості при всповзанні колеса на рейку, відносні переміщення характерних елементів ходової частини в усьому діапазоні швидкостей руху. До числа обмежень входять і основні обмеження на діапазони параметрів, що оптимізуються.

У ролі критерію оптимізації системи підвішування шахтного локомотива виберемо функціонал

де , – коефіцієнти динамічності “” колеса “” колісної пари.

Як обмеження використовуємо наступні співвідношення:

-

-

-

-

При мінімізації функціонала (1) при заданих обмеженнях забезпечуються максимальні тягово-гальмові характеристики шахтного локомотива при стійкому русі по рейковій колії із заданими параметрами збурень та мінімальних енерговитратах.

Визначення впливу проміжного середовища і футеровки коліс

на зчеплення коліс з рейками та опір руху

Шахтна рейкова колія, крім геометричних недосконалостей і малої жорсткості основи, має значні забруднення дрібнодисперсним шаром вміщуючих порід, часток спрацювання гальмівних колодок і коліс, грунтових вод. Розглядався найбільш характерний випадок, коли коефіцієнт зчеплення і сили опору кочення приймають середні значення і коли найбільш достовірною буде в’язкопластична модель проміжного середовища, що описується рівнянням Шведова-Бінгама і характеризується кінематичною в’язкістю та граничним напруженням зсуву. Проаналізуємо кочення колеса з радіусами кривизни Rк1 і Rк2 по голівці рейки радіусом Rр (рис. 1).

Рис. 1 Розрахункова схема кочення колеса по рейці за наявності проміжного середовища

Рівняння руху проміжного середовища по каналу, що звужується, має вигляд

(2)

де– тиск у проміжному середовищі; – швидкість середовища в зазорі; – половина висоти ядра в кожному перетині; – ширина каналу, верхній знак від перетину з максимальним тиском, а нижній – до області справа від нього.

В результаті вирішення знайдені зміни тиску в зоні контакту при різних характеристиках проміжного середовища. Фактичне значення коефіцієнтів зчеплення і опору w колеса при коченні за наявності проміжного середовища

де, – вантажопідйомність і сила опору проміжного середовища;, – значення коефіцієнтів зчеплення та опору руху при чистих поверхнях рейки і колеса. Як видно з рис.2, при великих швидкостях руху локомотива збільшення показників пластичної в’язкості проміжного середовища призводить до більш істотного зменшення коефіцієнта зчеплення. Значний спад фактичного коефіцієнта зчеплення спостерігається також для рейки Р33 при радіусі кривизни колеса Rк1=0,4 м або спрацюванні бандажа більш =8 мм, а для рейки Р24 при радіусі кривизни колеса Rк1=0,6 м чи спрацюванні =6 мм за рахунок збільшення ширини клиноподібного каналу в зоні контакту.

При зміні навантаження на колесо локомотива, що рухається по рейці з проміжним середовищем, несуча здатність в’язкопластичного середовища може зменшити коефіцієнт зчеплення до величини внутрішнього тертя середовища, при цьому колесо буде перебувати в режимі гідропланування. Для шахтного локомотива при вугільному пилу на рейці мінімальне навантаження на колесо може скласти 10 кН, а при рудному – 8 кН при швидкості 4 м/с.

Для підвищення коефіцієнта зчеплення колеса шахтних локомотивів футерують полімерними матеріалами. На рис.3 зображена розрахункова схема кочення футерованого колеса, на якій враховане припущення про структуру футеровки як набору в’язкопружних елементів, для яких істотною є радіальна складова деформації. Дія крутного моменту, прикладеного до колеса, і сил тертя по площадці контакту зміщує максимум питомого тиску Р() відносно середини площадки.

Рис. 3 Розрахункова схема кочення футерованого колеса

Для в’язкопружного матеріалу процес деформування супроводжується явищем релаксації, тому для розподілу тиску у футеровці його достатньо повно можна описати інтегральним рівнянням Больцмана-Вольтерра:

(4)

де – ядро релаксації.

В результаті інтегрування (4) отримані залежності (рис.4) швидкості руху від навантаження на колесо, при якій коефіцієнт опору коченню має максимальне значення для футеровки різної товщини шару. Подана залежність демонструє особливості в’язкопружного контакту кочення та істотно нелінійна для навантажень на колесо менше 10 кН, при навантаженнях на колесо в діапазоні 20-40 кН має місце майже лінійна зміна критичної швидкості.

Релаксаційні ефекти важливі, коли час проходження області контакту дорівнює часу релаксації (швидкість локомотива 0,1-0,7 м/с). За цих умов площадка контакту стає асиметричною і реалізується максимум моменту опору. Наведене рішення визначає оптимальні значення параметрів навантаження на колесо (рис.5) та швидкості руху локомотива з футерованними колесами із мінімальними енергетичними втратами на опір руху.

Розробка моделі просторових коливань шахтних локомотивів рамного та модульно-візкового компонування

Шахтні локомотиви рамного компонування являють собою механічну систему, що складається (рис.6) з таких основних елементів: кузова та двох колісно-моторних блоків. Колісно-моторні блоки мають ряд особливостей: опорно-осьове підвішування; буксові вузли з поздовжнім та поперечним зазорами між рамою локомотива і віссю колеса; несиметричність щодо осі , яка обумовлена тим, що двигуни містяться по один бік від колісних пар.

Рис.6 Розрахункова схема локомотива рамного компонування

Переміщення вздовж осі колії (посмикування) позначені через х, упоперек осі колії (бічне віднесення) – , а перпендикулярно рейковому полотну (підстрибування) – . Кутові переміщення позначені відносно осі (виляння) – , осі (бічне качання) – та осі (галопування) – . Позитивні значення лінійних переміщень прийняті вздовж відповідних осей, а кутові спрямовані проти годинникової стрілки, якщо дивитися з боку позитивного напрямку відповідних осей.

З метою істотного поліпшення тягово-гальмових характеристик у Національній гірничій академії України розроблений шахтний локомотив модульно-візкового компонування Е10. Система буксового підвішування електровоза Е10 містить двоплечні поводки, встановлені на рамі секції за допомогою гумометалевих шарнірів. Для з'єднання центральної платформи з тяговими секціями на рамі центральної платформи застосовані сферичні опори та підп'ятники, сполучені з рамами тягових секцій. Розрахункова схема шахтного локомотива модульно-візкового компонування подана на рис. 7. Переміщення платформи позначені без індексів, рам візків – з індексом – номер візка, колісних пар – з індексом – номер колісної пари у візку.

Рис. 7 Розрахункова схема шахтного локомотива модульно-візкового компонування

Рейкова колія передбачається пружно-в’язкою інерційною у вертикальному і горизонтальному поперечному напрямках. Тому враховуються відтиснення рейкових ниток, а також швидкості цих переміщень у точках контакту коліс з рейками.

Переміщення кузова надалі позначені без індексів, колісно-моторних блоків – з індексом ,,”. Відтиснення рейок у точках контакту з колесами позначені відповідно через і (– ліва, – права за ходом руху).

Вертикальні переміщення ділянок залізничної колії пов'язані з переміщеннями колісних пар таким чином

=,

де – зміни радіуса колеса по колу котіння, що є нелінійною функцією бічного віднесення колісних пар щодо рейок; – поточні ординати геометричної вертикальної нерівності рейок; – відстань між колами котіння коліс у поперечному напрямку.

Переміщення коліс відносно рейок визначається так:

,

де – значення геометричної нерівності рейки в плані.

При переміщенні коліс щодо рейок у поперечному напрямку змінюється радіус кола котіння колеса:

.

Зміну радіусів кіл котіння коліс можна описати таким чином:

де позначена конічність поверхні котіння бандажа на лінійній ділянці, а – половина зазора між гребенями коліс та внутрішньою гранню голівок рейок.

Розподілені параметри рейок зосереджені в точках торкання з колесами. Реакції рейок викликані нелінійністю поверхні котіння колеса, а також тим, що при коливаннях колісних пар у горизонтальній площині виникають пружні відтиснення рейкових ниток. Позначимо реакції рейок, обумовлені пружними відтисненнями, через. Реакції рейок у вертикальному та горизонтальному напрямках відповідно дорівнюють

де, –приведені маса, коефіцієнт в’язкого тертя та жорсткість колії у вертикальному і горизонтальному поперечному напрямку відповідно. Реакції рейок, викликані нелінійністю поверхні котіння колеса, визначаються залежністю

де – повний тиск колеса на рейку; – статичний тиск колеса на рейку; – тангенси кутів нахилу поверхні котіння бандажа до горизонталі.

Для складання рівнянь, що описують механічну систему, використані рівняння Лагранжа другого роду. Потенційна енергія пружних елементів системи визначалася за теоремою Клайперона. Кінетична енергія системи, що є сумою кінетичної енергії екіпажа та колії, знайдена за теоремою Кеніга. Функцію дисипації визначали з використанням гіпотези Фойгта. Аналізована механічна система шахтного локомотива рамного компонування з урахуванням рівнянь зв'язку описується 22 узагальненими координатами, а модульно-візкового компонування – 50 координатами.

Інтегрування системи диференціальних рівнянь виконували за допомогою пакета прикладних програм ”Математика 3.0”. Параметри, що визначаються в процесі розв’язку, характеризують стійкість і динамічні характеристики взаємодії коліс з рейками: кc – коефіцієнт запасу стійкості колеса проти всповзання гребеня на рейку; кх, кy, кz, кbх, кby, кbz – коефіцієнти динамічності взаємодії колеса та рейки, буксового вузла в поперечному і вертикальному напрямках.

Результати розв’язків при обраних параметрах збурень задовільно узгоджуються з експериментальними даними (рис.8).

Установлено вплив величини зазорів у щелепних направляючих буксових вузлів на динамічні характеристики й стійкість шахтного локомотива під час руху на прямолінійних і криволінійних ділянках рейкової колії з недосконалостями (рис. 9). Зазори в щелепних направляючих понад 0,01 м істотно збільшують коефіцієнти горизонтальної та вертикальної динаміки при швидкості руху більше 3 м/с. Коефіцієнти запасу стійкості від всповзання колеса на рейку істотно вище на криволінійних ділянках при наявності зазорів у щелепних направляючих понад 0,02 м.

Для оцінки адекватності поведінки математичної моделі системи підвішування шахтного локомотива модульно–візкового компонування шахтному локомотиву Е10 були зроблені розрахунки з реальними збуреннями рейкової колії у вигляді геометричних горизонтальних і вертикальних нерівностей. Параметри ходової частини геометричні і вагові характеристики шахтного локомотива Е10 взяті з техдокументації, жорсткісні і демпфірувальні параметри системи підвішування визначалися таріровкой.

Нижче подані параметри просторових коливань шахтного локомотива модульно-візкового компонування і їх зіставлення з експериментальними даними. Розглянуто рух шахтного локомотива Е10 прямолінійними та криволінійними ділянками колії.

Як видно з рис. 10, коефіціенти динамічності шахтного локомотива модульно-візкового компонування з футерованими колесами нижче за коефіціенти динамічності зі сталевими, особливо на швидкості руху 4-6 м/с. Значне зниження коефіцієнтів запасу стійкості на малих радіусах кривизни рейкової колії обумовлено жорсткістью вузла з'єднання центральної платформи з тяговими секціями (рис.11).

Розробка узагальненої розрахункової схеми системи підвішування

Для вивчення динамічних характеристик шахтних локомотивів – стійкості руху, реалізації тягового зусилля, які залежать від типу, конструктивного виконання та параметрів систем підвішування ходової частини, необхідно розробити узагальнену розрахункову схему системи підвішування.

Габаритні обмеження на висоту рами шахтних локомотивів не дають змоги застосовувати багатоступінчасту систему підвішування, поширену на промислових і магістральних локомотивах. При проектуванні шахтних локомотивів вибір параметрів системи підвішування з урахуванням конструктивного виконання та динамічних характеристик становить певні труднощі без використання узагальненої моделі для всіх типів систем підвішування. Найбільш поширені на шахтних локомотивах – індивідуальна, балансирна та коромислова системи підвішування. Всі відомі системи підвішування шахтних локомотивів можна подати однією розрахунковою схемою. Основна відмінність систем підвішування полягає в різних значеннях пружно-дисипативних елементів зв'язку між балансиром та кузовом і описує чотири варіанти: індивідуальну і поздовжньо балансирну підвіску зі стабілізатором; коромислову з зовнішнім розташуванням пружин; коромислову з внутрішнім розташуванням пружин і поздовжньо балансирну підвіску без стабілізаторів.

Узагальнена розрахункова схема системи підвішування шахтного локомотива наведена на рис. 12, та являє собою систему з кузова і двох колісно-моторних блоків із приведеною масою колії, сполучених між собою безінерційними пружно-дисипативними зв'язками. Ввівши пружне кріплення колісних пар, змінюючи значення пружно-дисипативних елементів і обмеження на переміщення колісних пар, можна описувати поведінку локомотивів із щелепним і повідковим кріпленням буксових вузлів.

При апробації математичної моделі для порівняльного аналізу використовували результати експериментальних досліджень шахтного локомотива рамного компонування ЕШК-10 із важільно-балансирною системою підвішування, проведених у межах дослідно-промислових випробувань у підземних умовах шахти “Тернівська” ДХК “Павлоградвугілля”.

Рис. 12 Узагальнена розрахункова схема системи підвішування шахтного локомотива рамного компонування

У процесі експериментів визначали переміщення ходової частини відносно рами електровоза; вертикальні і горизонтальні сили в буксовому підвішуванні, деформації колії, силу тяги на зчіпці і сили в підвісці тягових двигунів. Вимірювальний поїзд складався з випробуваного електровоза ЕШК-10 із датчиками, серійного акумуляторного електровоза АМ8Д, вагона-площадки з реєструвальною і комутуючою апаратурою. Порівняння результатів розрахунку з даними, отриманими в ході випробувань, подане на рис. 13. Коефіцієнт поперечної динаміки при швидкості руху до 3 м/с нижче в 1,3 раза в порівнянні з локомотивом із щелепними направляючими буксових вузлів. Коефіцієнти вертикальної динаміки із застосуванням пружних елементів знижені на 15% при швидкості руху до 2 м/с і збільшуються зі зростанням швидкості і жорсткості пружних елементів. Як видно з рис.14, при малих радіусах кривизни від 5 до 15 м на коефіцієнти запасу стійкості значно впливають значення поперечної жорсткості системи підвішування. Із збільшенням поперечної жорсткості буксових повідків коефіцієнти запасу стійкості знижуються до значення, що відповідає системі підвішування із щелепними направляючими.

Якщо радіус кривизни рейкової колії понад 20 м зміна поперечної жорсткості системи підвішування істотно впливає при швидкостях руху більше 3 м/с, і дозволяє підвищити коефіцієнти запасу стійкості на 25-30% порівняно з щелепними направляючими.

Вирішення задачі оптимізації параметрів пружно-дисипативних зв'язків системи підвішування ходової частини шахтних локомотивів

Диференціальні рівняння коливань у матричному вигляді мають вигляд:

, (5)

де – узагальнені координати, швидкості, прискорення відповідно; – матриці інерційних дисипативних і пружних коефіцієнтів, – вектор збурюючих сил.

Представимо систему рівнянь (5) у нормальній формі Коші:

, (6)

де – блокова матриця, що залежить від і.

Тоді задача оптимізації параметрів системи підвішування зводиться до знаходження елементів матриць В і С, що доставляють мінімум функціоналу

(7)

на траєкторіях системи при наявності обмежень на параметри і траєкторії.

Задача оптимізації зводиться до мінімізації функціонала

. (8)

Подаючи розв’язок у формі кінцевої суми з коефіцієнтами і підставляючи в (8), зводимо варіаційну задачу к мінімізації функції:

,

де.

Мінімізацію здійснюємо методом зважених нев’язок на відрізку. Тоді мінімізація функції зводиться до послідовного розв’язку системи лінійних рівнянь відносно вектора.

Оптимізація параметрів шахтного локомотива рамного компонування

На рис.15 – результати процесу оптимізації параметрів пружно-дисипативних елементів системи підвішування шахтного локомотива. При швидкостях руху понад 3,5 м/с і радіусах кривизни більше 20 м система підвішування повинна складатися з поздовжнього балансира із жорсткістю 25% і демпфіруванням 30% від величини вертикального підвішування. При радіусах кривизни рейкової колії менше 10 м система підвішування повинна мати поперечний балансир з жорсткістю 15% і демпфіруванням 20% від величини вертикального підвішування.

Оптимізація параметрів шахтного локомотива секційного компонування

Секційні локомотиви, що складаються з окремих тягових секцій, сполучених зчепленнями, – аналог 2АМ8Д (спарка двох електровозів АМ8Д, які випускає Дружківський машинобудівний завод).

За допомогою розробленої математичної моделі просторових коливань шахтного локомотива з узагальненою системою підвішування проаналізовано динамічні характеристики при секційному компонуванні, а також вплив їх параметрів на стійкість руху та реалізацію тягово-гальмового зусилля.

Коефіцієнти вертикальної і поперечної динаміки рис.16 при швидкості руху до 3 м/с нижче на 20-30% у порівнянні з локомотивами рамного компонування, але при збільшенні швидкості до 4 м/с зростають на 40-50%. Коефіцієнти динамічності істотно залежать від маси секції і знижуються на 60% при її зменшенні до 2 т. Як видно з рис.17, при малих радіусах кривизни колії від 5 до 15 м на коефіцієнти запасу стійкості значно впливає зчіпна маса секції, а при радіусі кривизни рейкової колії більш 20 м впливає менш істотно. При збільшенні зчіпної маси втричі коефіцієнти запасу стійкості знижуються в 1,4 раза. Динамічний аналіз шахтного локомотива секційного компонування дозволяє зробити висновок про застосування даного компонування при експлуатаційних швидкостях до 2,5 м/с із сталевими колесами на сухій рейковій колії.

Оптимізація параметрів шахтного локомотива модульно-візкового компонування

Завдяки оптимізації параметрів системи підвішування шахтного локомотива модульно-візкового компонування при руханні по перехідній кривій і кривій постійного радіуса рекомендовані наступні параметри і конструктивні рішення базової моделі: установка обмежувальних упорів на рамах тягових і проміжної секцій, що обмежують кут повороту проміжної секції навколо поздовжньої горизонтальної осі в межах 0,13 рад.; опирання на ковзуни проміжної секції з рамою однієї з тягових секцій; підвищення жорсткості пружних елементів у системі підвіски колісних пар, прийнявши для локомотива зі зчіпною масою 12 т коефіцієнти жорсткості горизонтально встановлених пружин рівними 5*106 Н/м; зниження моментів тертя в опорах проміжної секції на рами тягових секцій до значення рівного 200 Нм; обмеження швидкості входу в криволінійну ділянку рейкової колії до величини, що не перевищує 2,5 м/с. Залежність динамічних характеристик шахтного локомотива модульно-візкового компонування з пружно-дисипативними елементами ходової частини від швидкості руху приведені на рис.18 при різних значеннях зчіпної маси візка. Коефіцієнти вертикальної і поперечної динаміки при швидкості руху до 4 м/с нижче на 60-80% у порівнянні з локомотивами рамного компонування, при збільшенні швидкості до 6 м/с не перевищують припустимих значень.

Коефіцієнти динамічності істотно залежать від співвідношення маси візка і платформи-модуля, мінімальне значення яких досягається при масі візка 2,5-3 т. При криволінійному русі залежності коефіцієнтів запасу стійкості від радіуса кривизни колії приведені на рис.19 з різними швидкостями руху. З аналізу динамічних характеристик шахтного локомотива модульно-візкового компонування з пружно-дисипативними елементами ходової частини можна зробити висновок про істотне підвищення експлуатаційних характеристик при модульно–візковому компонуванні: збільшення максимальної швидкості руху в 1,7 раза, зменшення мінімального радіуса кривизни в 1,4 раза, підвищення тягово-гальмових характеристик у 1,2 раза на сталевих колесах і в 1,6 раза на футерованих.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на базі теоретичного узагальнення здійснене вирішення важливої наукової проблеми, що полягає у розробці наукових основ технічних рішень щодо підвищення тягово-гальмових характеристик та стійкості руху, зниження енерговитрат і підвищення продуктивності шахтного рейкового транспорту, розробці методики визначення раціональних компонувальних рішень та значень пружно-дисипативних параметрів ходової частини шахтних локомотивів на стадії проектування.

Основні наукові результати і рекомендації полягають в наступному:

1?

2?

3?

4?

5?