МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ТАРАН ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 622.625.28

ОБГРУНТУВАННЯ ТА ВИБІР РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ

КОЛЕСНО – КОЛОДКОВОГО ГАЛЬМА ШАХТНИХ ЛОКОМОТИВІВ З

СЕКЦІЙНОЮ ГАЛЬМОВОЮ КОЛОДКОЮ

Спеціальність: 05.05.06 – “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2000

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Ширін Леонід Нікіфорович, Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри рудникового транспорту (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Самуся Володимир Ілліч, Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри гірничої механіки (м. Дніпропетровськ),

кандидат технічних наук Максютенко Валерій Юрійович, завідувач відділу фізико-механічних основ гірничого транспорту Інститута геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ).

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

Захист відбудеться “ 29 ” листопада 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України, за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19.

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

Автореферат розісланий “ 29 ” жовтня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.В. Анциферов.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність підземного видобування вугілля на шахтах України залежить від досконалості транспортних схем та експлуатаційних характеристик засобів транспорту. З упровадженням механізованих очисних комплексів нового покоління значною мірою змінилися параметри систем розробки та проведення підготовчих робіт. Зі збільшенням довжини виробок підвищилися протяжність транспортування, величини та інтенсивність вантажопотоків, що визначає вибір виду транспорту.

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

В рудникових потягах причіпна частина гальмовими засобами не обладнана, тому гальмові можливості потягу визначаються лише гальмовою силою, яка реалізується електровозом. На підземних рейкових шляхах, які відрізняються непостійністю профілю та часто порівняно великими ухилами, маса потягу обмежується гальмовими можливостями локомотиву. У зв'язку з цим граничні гальмові можливості (реалізація граничної сили гальмування, за умовами зчеплення локомотиву з рейкою) – досить важливий параметр, що часто обмежує діапазон застосування локомотивної відкатки.

Заведено вважати, що підземний електровоз повинен мати три незалежні види гальма: колодкове з ручним і механізованим приводами, електродинамічне (реостатне гальмування тяговими двигунами) і рейкове електромагнітне. На практиці часто ці загальнозаведені думки не підтверджуються. За відомостями ДХК “Павлоградвугілля” на 01.01.99р., з 136 локомотивів 106 (78% – локомотиви АМ8Д та 2АМ8Д) обладнані колодковими гальмами з ручним приводом, 20 (14,7% – електровози К10, К14) – колодковим гальмом з ручним та пневматичним приводом, і лише 10 (7,3% – електровози АРП10 та АРП14) мають, крім того, рейкові електромагнітні гальма. На всіх електровозах використовується електродинамічне гальмування, рекомендоване до застосування лише, коли працюють обидва тягові електродвигуни та швидкість електровозу не менше ніж 0,55 м/с (2км/г). Для остаточної зупинки локомотиву застосовується колодкове гальмо. За відомостями ВО “Красноармійськвугілля” на 01.4.99р., 54% локомотивного парку складають електровози АМ8Д та електровози 7АРВ; 44,5% – електровози К10 та К14 і лише 1,5% – електровози АРП10.

Як видно, найбільше застосування на рудникових локомотивах вугільних шахт, як службові, мають колесно-колодкові гальма, які повинні забезпечувати необхідні параметри режиму гальмування, тобто максимальну силу гальмування по зчепленню. Основна проблема, яка далеко не завжди дозволяє ефективно застосовувати таке гальмо – нестабільність характеристики гальмової сили, яка формується гальмовою колодкою, при змінній швидкості руху локомотиву. Саме ця нестабільність на практиці не дозволяє здійснити ефективне (якісне) гальмування, тому зчіпні спроможності колес з рейками або недовикористовуються, або здійснюється гальмування юзом.

Відомо, що гальмова сила, яка створюється колодковим гальмом, не повинна перевершувати граничної сили зчеплення колеса з рейкою, щоб уникнути заклинювання колеса (юз). Без'юзове гальмування перевіряється в інженерних розрахунках за умови статичної рівноваги колесної пари. Відомі методи проектування гальмових (фрикційних) вузлів реалізують ідеалізовану динамічну модель гальмового механізму з жорсткими ланками та гіпотезу Амонтона-Кулона про незалежність сили тертя від швидкості ковзання. Недосконалість геометрії бандажа та колодки, постійні зміни умов взаємодії, вплив численних випадкових факторів не дозволяють забезпечити існуючими колодками стабільну гальмову силу локомотиву, зумовлюючи зниження надійності та безпечності роботи локомотивного транспорту.

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

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота – складова досліджень, що виконує кафедра рудникового транспорту згідно з планом НГА України в рамках договору №010535 “Удосконалення транспортно-технологічних схем шахт ВО “Красноармійськвугілля” на базі оптимізації параметрів транспорту” від 02.01.95р.

Мета роботи і завдання дослідження. Розробка засобів стабілізації експлуатаційних характеристик гальма шахтних локомотивів для підвищення ефективності гальмового режиму, безпеки та продуктивності локомотивної відкатки.

Для релізації мети в роботі поставлені такі завдання:

1. Аналітично визначити вплив параметрів процесу гальмування на величину гальмового шляху.

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

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

4. Обгрунтувати та провести вибір раціональних конструктивних параметрів секційної гальмової колодки, яка забезпечує стабільність сили тертя при зміні швидкості руху та нестаціонарному зусиллі притискання гальмової колодки до колеса.

Об'єкт дослідження – процес взаємодії гальмової колодки з колесом шахтного локомотиву.

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

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

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

Вплив параметрів процесу гальмування на гальмовий шлях досліджено з використанням закону зберігання енергії. Вплив теплових потоків та фрикційні властивості пар тертя досліджено за методами теорії теплопровідності і термодинаміки, а параметрів динамічних процесів – методом теорії коливань з використанням основних законів і положень теорії пружності та теорії віброударних систем. Теоретичні дослідження грунтуються на застосуванні методів математичного моделювання, функціонального аналізу, теорії диференційних рівнянь, чисельних та ітераційних методів рішення.

Експериментальні дослідження виконано за методикою повного факторного експерименту, обробка результатів – методиками математичної статистики.

Основні наукові положення, що виносяться на захист.

1. Збільшення ефективності гальмового режиму шляхом стабілізації екс-плуатаційних характеристик гальмування досягається запропонованим в роботі новим типом гальмової системи, яка має якісний тепловідвід і більш стабільну величину коефіцієнту тертя при змінній швидкості руху та тиску колодки на колесо.

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

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

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень досягається коректністю поставлених завдань на кожному етапі роботи; використанням допущень, які звичайно застосовуються у подібних дослідженнях; застосуванням апробованих методів розв'язання диференційних рівнянь, які описують поведінку фрикційного вузла; застосуванням під час проведення експериментальних досліджень стандартної апаратури та перевірених методів обробки результатів; прийнятною збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблена уточнена фізико-математична модель руху рудникового потягу в умовах гальмування та вперше отримано аналітичне рішення для розрахунку гальмового шляху з врахуванням комплексних, (механічних і теплофізичних) параметрів процесу взаємодії гальмової колодки з колесом локомотива.

2. Вперше розв'язанням нестаціонарного рівняння теплопровідності з граничними умовами Барбера, які враховують додаткове притискання колодки через нагрівання, пояснено відомий феномен посиленого локального зносу існуючих колодок.

3. Вперше обгрунтовано, що для визначення раціональних параметрів конструкції секційної колодки необхідно застосовувати методи, які використовуються в теорії віброударних систем, що враховують обмеження переміщення маси секцій колодки в умовах пружно-пластичної взаємодії та дозволяють отримати аналітичні залежності жорсткості пружного середовища від маси секцій і величини геометричних недосконалостей поверхні катання колеса.

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

Наукове значення роботи полягає:–

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

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

Практичне значення полягає:–

у розробці науково обгрунтованої інженерної методики розрахунку та вибору раціональних конструктивних параметрів секційної гальмової колодки шахтного локомотиву, що враховує збільшення загального тиску, зумовленого термопружною нестійкістю;–

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

Особистий внесок здобувача полягає у зазначенні мети та ідеї роботи, формулюванні задач дослідження та наукових положень, виборі методів дослідження, проведенні розрахунково-теоретичного моделювання та експе-риментальних досліджень, обробці, аналізі та узагальненні отриманих резуль-татів; пошукачем зроблено висновки і розроблено методичні рекомендації щодо застосування результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на: міжнародних наукових конференціях “Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини” (м. Дніпро-петровськ, Державна гірнича академія України, 1996, 1997); ювілейній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми транспорту в гірничому виробництві”, присвяченій 75-річчю кафедри рудникового транспорту НГА України (м. Дні-пропетровськ, 1997) і на міжкафедральному семінарі в НГА України (2000).

Реалізація результатів роботи. Результати дисертації впроваджені у вигляді інженерної “Методики розрахунку та вибору раціональних конструктивних параметрів секційної гальмової колодки шахтного локомотива” та технічних пропозиціях на їх розробку, що схвалені заводами ДМЗ (м. Дружківка), НВО ДЕВЗ (м. Дніпропетровськ), ВО “Луганськтепловоз”, а також Українським електровозобудівним НДІ (м. Дніпропетровськ). Рекомендації щодо вибору раціональних параметрів використані ДРМЗ ВО “Красноармійськвугілля” (м. Ди-митрово) у виготовленні дослідної партії гальмових колодок. Методичні рекомендації схвалені головним інститутом з безпеки МакНДІ та рекомендовані до використання під час розробки галузевих нормативних документів.

В подальшому результати заплановано використовувати у створенні перспективних швидкодіючих гальмових систем шахтних локомотивів. Упровадження результатів роботи має соціальний ефект за рахунок підвищення продуктивності та безпеки праці на рейковому транспорті шахт для усунення аварій через відмову гальмових засобів.

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

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

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ. Серед різних видів підземного транспорту в магістральних горизонтальних виробках локомотивний транспорт складає близько 70%. Для безпеки руху, локомотив рудникового потягу устатковують, як правило, колодковими гальмами, параметри і системи управління якими мають забезпечити потрібний режим гальмування, зумовлений силою зчеплення колеса і рейки. Дослідження, пов'язані з формуванням гальмової сили в магістральних та промислових локомотивах, відображено у роботах: М.П. Петрова, С.А. Чаплигіна, Ф.М. Бабічкова, Б.Л. Карвацького, Л.М. Пижевича, В.А. Лазаряна, В.Ф. Ушкалова, В.П. Єсаулова, А.В. Чичинадзе, С.Ф. Редько, С.Є. Блохіна та послідовників їх наукових шкіл.

Значний внесок у вивчанні питань реалізації гальмової сили шахтними локомотивами доклали А.О. Співаковський, С.А. Волотковський, Б.О. Кузнецов, О.О. Ренгевич, М.С. Поляков, Є.Є. Новіков, П.С. Шахтар, В.В. Мішин.

Сьогодні на більшості шахтних локомотивів застосовують чавунні гальмові колодки, суттєвий недолік яких – значне збільшення коефіцієнту тертя зі зменшенням швидкості та залежність його від тиску. Це часто не дає змоги забезпечити такий режим гальмування, за яким якомога повніше б використовувались можливості по зчепленню локомотиву з рейками, та в інших подібних обставинах зменшився б шлях гальмування.

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

З аналізу попередніх досліджень сформульовані мета і завдання роботи.

Другий розділ присвячено дослідженню взаємодії гальмової колодки та колеса з метою встановлення вирішувальних факторів, які впливають на коефіцієнт тертя.

Один з основних параметрів, який характеризує безпеку експлуатації шахтного локомотивного транспорту – величина гальмового шляху. Оцінка величини гальмового шляху S відповідно до отриманої формули (1) дозволила встановити, що для збільшення масозавантаження составу за існуючих норм величин гальмового шляху необхідна розробка такого типу гальмової системи, який має якісний тепловідвід та стабільну величину коефіцієнта тертя в залежності від швидкості з нестаціонарним зусиллям притискання гальмової колодки до колеса.

(1)

де V – швидкість руху; q – тепловий потік; Р – зусилля притискання гальмової колодки до колеса; t – час гальмування; fк та fск – коефіцієнти тертя котіння та сковзання відповідно; a, b, c, d – коефіцієнти.

Подальше дослідження проводилося за двома напрямками:

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

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

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

, (2)

де Е – модуль Юнга; – довжина хвилі; f – коефіцієнт тертя; – коефіцієнт, який враховує величину викривлення пружного полупростору; V – швидкість переміщення; p* – термичний тиск; – середній тиск.

. (3)

Неравномірний розподіл тиску, зумовлений флуктуаційною складовою Р*, призводить до формування неравномірного (нестаціонарного) теплового потоку та нестаціонарного розподілу температури як по поверхні взаємодії фрикційних пар, так і в кожній точці взаємодії. У цьому випадку лінійна зміна температур має задовольняти нерівності Барбера. У даному діапазоні різниць температур стаціонарне розв'язання рівнянь теплопровідності неможливе.

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

д/б l0 < ДИ < 2 д/б l0, (4)

де l0 – первісний зазор між колесом та гальмовою колодкою, зумовлений шорсткістю; ? – первісна висота нерівності.

На рис. 1 подано розв'язання, методом розділу перемінних, рівняння теплопровідності (5), з питомою тепловою потужністю як функцією часу з крайовими умовами: ?(0)=Т0; И(t)=?П,

, (5)

де – питома вага; а – коефіцієнт температуропровідності; с – теплоємкість; ? – щільність.

Рис. 1. Зміна температури нагрівання колодки при гальмовому натисканні 11,5 кН: V1, V2, V3 –швидкості ковзання 1,2,3 м/с, відповідно; Vґ1,Vґ2,Vґ3 – експериментальні значення; V1 ОХЛ и Vґ1 ОХЛ – з вимушеним охо-лодженням.

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

На рис. 2 подані результати розрахунку температури в глибину фрикціона на глибину 5 · 10-2м – за 30с, з крайовими умовами: Т( х, 0 ) = f(х),

Рис. 2. Графік залежності розподілу відносної температури від поточних величин часу та координати.

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

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

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

(6)

де и – поточні температури на колесі та гальмової колодці.

В результаті розв'язання системи рівнянь апробованим методом інтегральних перетворювань, а саме косинус-перетворюванням Фур'є, отримано аналітичний вираз коефіцієнту розподілу теплових потоків для колеса та гальмової колодки.

(7)

Розрахунки коефіцієнтів розподілу теплових потоків, за даними формулами, показали, що при температурах до100 оС значення ?ТП практично збігалися з результатами розрахунків, наведених у работах Крагельського, Чичинадзе, Пижевича. Однак, починаючи з температури нагрівання 100 оС величина ?ТП відрізнялася в 2-3 рази від вказаних розрахунків. Це пояснювається тим фактом, що ряд авторів враховували лише теплофізичні характеристики фрикційних материалів, та не враховували величини поточних температур, гальмових зусиль та швидкості як функцій. Встановлено, що падіння температури в результаті охолодження – функція не монотонна, а має розрив по площині торкання колеса та гальмової колодки. Аналіз результатів теплофізичних досліджень показав, що одним з основних альтернативних способів, які реалізують збільшення тепловідводу від фрикційних пар, є розділ суцільнолитої чавунної гальмової колодки на автономні секції (фрикціони), конструкція яких має забезпечувати збільшення поверхні теплообміну та зниження негативних ефектів коливань теплових полів на поверхні тертя фрикційних пар.

Традиційна інтерпретація процесів, що відбуваються при контактній взаємодії двох тіл, не давала дослідникам можливості побачити ще деякі фізико-технічні проблеми, розв'язання яких дозволило б поглибити розуміння феномену тертя з позицій, наприклад, встановлення фрикційних та зносних характеристик тертьових поверхонь. Це в першу чергу стосується не лише, наприклад, ступеню шорсткості поверхонь, але також відсутності ідеального контакту, пов'язаного з технічними дефектами поверхні катання колеса. Більш того, нині, незважаючи на велику кількість досліджень, характеристик зовнішнього тертя, в літературі практично відсутні відомості, які визначають вплив на коефіцієнт тертя величини геометричних недосконалостей поверхні катання колеса, як показника відміни реальної форми колеса від ідеальної.

Для встановлення взаємозв'язку коефіцієнта тертя з характеристикою неідеальності колеса, розглянуто спрощену контактну задачу взаємозв'язку двох тертьових поверхонь, виходячи із закону збереження енергії. Використали рівняння Лагранжа для систем з одним ступенем вільності (перше спрощення), кінетична енергія системи підпорядкована стаціонарним зв'язкам (друге спрощення). Розв'язання отримали у вигляді:

. (8)

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

. (9)

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

Сила тиску гальмової колодки на колесо на практиці може бути реалізована різними способами управління. Дослідження впливу відхилення гальмових зусиль, зумовлені геометричними недосконалостями поверхні катання колеса, на коефіцієнт тертя також проводили із застосуванням рівняння Лагранжа. Завдавалися різними законами про зміни сили взаємодії гальмової колодки та колеса від часу: Fд(t) = ktn, Fд(t) = – kt + b0, Fд(t) = kt, Fд(t) = ksin(щt + ц).

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

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

(10)

где 2n = ?/m, k2 = c/m, h = F/m.

х(0) = х0,

Розв'язання проведено методом Лапласа. Залежності жорсткості пружнього середовища від геометричних характеристик одиничної нерівності представлені на рис. 3, з якого видно, що для створення умов постійності коефіцієнту тертя, з врахуванням ефекту Зомерфельда, будь-яка часова та просторова зміна конфігурації колеса має відстежуватися й адекватно передаватися силі взаємодії.

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

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

m+cx = F0cos(wt+ j)

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

1 – гальмова колодка; 2 – пружній елемент; 3 – колесо; 4 – геометрічна недосконалість.

при t = 0 при t = 2?/щ0 (11)

В результаті розв'язання даної задачі, отримані аналітичні вирази, (12, 13)

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

Залежності жорсткості від величини геометричних недосконалостей колеса, від кратності коливань, від зусилля притиснення, від маси одиничної секції гальмової колодки, покладені в основу методики розрахунку параметрів секційної гальмової колодки.

Для підтвердження теоретичних результатів досліджень, у рамках завдань даної роботи, у третьому розділі дисертаційної роботи експериментально досліджені параметри взаємодії секційної гальмової колодки та колеса, а також виведено “еталонне” визначення коефіцієнтів тертя на зразках. Завдання експерименту – визначення сумісного впливу швидкості сковзання V та гальмового натискання K на коефіцієнт тертя ц = f (V, K). У розгорнутому вигляді функцію представлено у вигляді полінома: ц = а0 + а1V + a2K. За результатами проведення експериментів отримані осцилограми сил натискання та тертя в залежності від кутової швидкості колеса. Приклади осцилограм представлені на рис.5.

Регресійний аналіз дозволяє уявити отримані дані у вигляді рівнянь:

ц = 0,6196 – 0,085 V – 0,000152 K – серійна колодка

ц = 0,4137 – 0,021 V – 0,00010 K – колодка з п'ятьма фрикціонами

ц = 0,3672– 0,002 V – 0,011 ? – еталонне значення

Рис. 5. Копія осцилограм процесу гальмування різними гальмовими колодками:

1,2 – гальмове натискання, К; 3,4 – гальмова сила, Fт; 1,3 – гальмування серійною гальмовою колодкою; 2,4 – гальмування колодкою с п'ятьма фрикціонами.

Оскільки стенд для проведення “еталонного” експерименту дозволяв фіксувати неперервну зміну температури зразків біля поверхні тертя, у діапазоні температур, які відповідають температурам поверхонь тертя реальної фрикційної пари: колесо – гальмова колодка, були отримані залежності впливу температури поверхні на коефіцієнт тертя при постійному тиску та мінливій швидкості та навпаки. Підвищення температури колодки у межах дослідів, які проводяться, відображається на зміні коефіцієнту тертя і підтверджує результати попередніх досліджень про вирішальне значення температурного режиму на коефіцієнт тертя.

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

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

(14)

Чисельне розв'язання виконували на ПК. Залежність довжини гальмового шляху від початкової швидкості гальмування з гальмуванням різними колодками (mc = const) наведено на рис.6.

Рис. 6. Залежність довжини гальмового шаляху від почат-кової швидкості галь-мування з гальмуван-ням різними колод-ками (mc = const):

1 – секційна з п'ятьма фрикціонами серійна, 2 – секційна з чотирма фрикціонами, 3 – серійна.

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

У четвертому розділі дисертації розглянуто розподіл питомого тиску на ковзаючому контакті гальмової колодки та колеса тертям по циліндричній поверхні, і зроблено висновок, що загальний тиск є адитивним та складається з двох доданків – тиску, зумовленого силою притискання колодки до колеса та фрикційного тиску, зумовленого термопружною нестійкістю:

(15)

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

ВИСНОВКИ

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

Основні наукові результати, висновки та рекомендації:

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

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

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

3. Результати теплофізичних досліджень показують, що через термопружню нестійкість на поверхні тертя колеса та колодки формуються нестаціонарні теплові поля, які працюють у режимі нагрівання – охолодження з частотою 0,05-1 Гц при V = 1-5 м/с, для зниження негативного впливу яких необхідно суттєво підвищити тепловідвід збільшенням площини охолоджування. Останнє здійснюється розподілом цілісної серійної колодки на секції (фрикціони).

4. Результати дослідження контактної взаємодії гальмової колодки та колеса з геометрічними недосконалостями поверхні катання (прокат, повзуни, навари) показують, що для виключення явища заклинювання колеса в процесі гальмування необхідно використовувати або абсолютно круглі колеса, що неможливо, або забезпечити мінімальний відхил зусилля притискання від середнього. Останнє забезпечується розрахунковими параметрами пружної системи підвішування фрикціонів.

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

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

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

(м. Димитрово) при виготовленні дослідної партії секційних колодок.

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

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

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

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

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

4. Таран И.А. Влияние промежуточной среды на взаимодействие тормозной колодки и колеса. // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 1997 г. – № 2 (Спец. выпуск). – С. 33-35.

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

6. Таран И.А., Денищенко А.В., Коптовец А.Н. Экспериментальное определение параметров взаимодействия секционной тормозной колодки с поверхностью катания колеса. // Науковий вiсник НГАУ. – 1998 г. – № 3. – С. 41-43.

7. Таран И.А. Математическая модель движения рудничного локомотива в условиях торможения. // Вибрации в технике и технологиях. – 1999 г. – № 3 (12). – С. 47-49.

8. Шумриков В.В., Таран И.А., Ширин Л.Н. Исследование влияния эксцентриситета колеса на коэффициент трения. // Науковий вiсник НГАУ. – 2000 г.

– № 2. – С. 53-55.

9. Шумриков В.В., Таран И.А., Ширин Л.Н. К вопросу о влиянии термоупругой неустойчивости на фрикционные свойства пар трения. // Науковий вiсник НГАУ. – 2000 г. – № 5. – С. 34-38.

10. Патент № 23723 А. Украина. Колодочный тормоз. // Коптовец А.Н., Сердюк А.А., Таран И.А. – 3 с.ил.; Опубликовано 31.08.98. Бюл. № 4.

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

12. Таран И.А., Коптовец А.Н. Динамика трения тормоза шахтных локмотивов. ”Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання та технологій переробки мінеральної сировини” / Тезисы докладов международной конференции, посвященной 75-летию ММФ ГГАУ. Днепропетровск, 1996. – С. 70-71.

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

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані з співавторами:

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

АНОТАЦІЯ

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

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

В диссертації теоретично й експериментально описана взаємодія секційної гальмової колодки з колесом шахтного локомотива. На основі аналізу процесів формування теплових потоків і іх впливу на механічні властивості пар тертя встановлені закономірності: формування нестаціонарних теплових потоків, коливань температур на поверхні контакту тертьових тіл, розповсюдження теплових потоків між колесом і колодкою. В результаті рішення рівнянь коливань фрикціонів секційної гальмової колодки отримані залежності коефіцієнту тертя від маси фрикціонів, жорсткості пружньої підвіски і величини ексцентриситету. Експериментально доведено, що секціонування гальмової колодки із пружнім з'єднанням фрикціонів дає можливість зменшити їх вплив на коефіцієнт тертя. На інженерному рівні розроблена методика розрахунку і вибору конструктивних параметрів секційної гальмової колодки рудникового локомотива, з використанням якої визначені раціональні динамічні і геометричні параметри конструкції секційної колодки.

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

АННОТАЦИЯ

Таран И.А. Обоснование и выбор рациональных параметров колесно-колодочного тормоза шахтных локомотивов с секционной тормозной колодкой. Рукопись.

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

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

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

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

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

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

На основании изучения процессов формирования тепловых потоков и их влияния на механические свойства пар трения установлены закономерности формирования нестационарных тепловых потоков и колебаний температур на поверхности контакта трущихся тел, а также распределения тепловых потоков между колесом и колодкой. Анализ результатов теплофизических исследований показал, что одним из основных альтернативных способов, реализующих увеличение теплоотвода от фрикционных пар, является разделение цельнолитой чугунной тормозной колодки на автономные секции (фрикционы), конструкция которых должна обеспечивать увеличение поверхности теплообмена и снижение негативных эффектов колебаний тепловых полей по поверхности трения фрикционных пар. В результате решения уравнений колебаний фрикционов секционной тормозной колодки методами, применяемыми в теории виброударных систем, получены зависимости коэффициента трения от массы фрикционов, жесткости упругой подвески и величины геометрических