ВЫБОР ФОРМЫ И МЕТОДА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗВЕЗДОЧЕК ДЛЯ ТЯГОВЫХ КРУГЛОЗВЕННЫХ ЦЕПЕЙ

Болтян А.В., Голубов Н.В., Горобец И.А., Черников А.С.
(ДонГТУ, г. Донецк, Украина)

     For moving circuits of transport machines the special asterisks are used. In conditions of high loading the cast asterisks have low reliability. Taking into account complexity of the geometrical form of a tooth, for definition of distribu-tion of intensity in a tooth the method of cross elements is used.
     В машинах, одной из функций которых является транспортирование какого-либо материала или механизма, например, цепные системы перемещения угольных комбайнов, выемочно-доставочные машины фронтальных агрегатов для добычи угля, скребковые конвейеры и др., часто применяют круглозвенные тяговые цепи. Для перемещения таких цепей используются специальные звездочки, которые устанавливаются на выходных валах редукторов. Отличительной особенностью таких звездочек является то, что каждый из их зубьев состоит из двух половин, а впадины между соседними зубьями образуют так называемое ложе для горизонтально расположенного звена цепи. Эти впадины представляют собой сложную поверхность, образованную пересечением эвольвентной и цилиндрической поверхностей. Вследствие этого звездочки для грузовых тяговых круглозвенных цепей изготавливают сварно-литыми. Сложную поверхность впадин отливают. Причем, для удобства построения и упрощения изготовления литейной формы на практике эвольвентную поверхность аппроксимируют двумя цилиндрическими. Две отлитые половины звезды соединяют сваркой, далее производится только обработка центрального отверстия.
     Для увеличения жесткости зубьев в отливке предусматривается наличие реборды (рис.1). Однако в условиях высоких нагрузок горных и транспортных машин литые звездочки имеют низкую надежность вследствие частых поломок их зубьев. Низкая надежность обусловлена неоднородностью физико-механических свойств заготовки получаемой литьем и низкой точностью изготовления ложа цепи. Данные, полученные авторами, показывают на шахте ХХ съезда КПСС ПО «Добропольеуголь», что по указанным причинам за 6 месяцев эксплуатации фронтального агрегата АФК пришло в негодность восемь звездочек.
     Небольшие ремонтные службы предприятий, на которых эксплуатируются указанные машины, не располагают возможностями для изготовления литых звездочек. Заказ запасных частей на сторонних предприятиях, имеющих возможность осуществлять стальное литье, удорожает производство звездочек из-за ограниченного объема партии. В сложившихся условиях необходимо решить две взаимодополняющие друг друга задачи: увеличить срок службы звездочек за счет увеличения точности обработки ложа цепи и упрощения технологии производства за счет применения механической обработки при формировании зуба и ложа цепи.

Рис.1 Расчетная схема зуба звездочки.
Рис.2 Фрагмент оцилограммы рабочего тягового усилия (Рц) в цепи агрегата АФК при взаимодействии ее со звездочкой привода.

     Авторами проводились исследования формирования нагрузки в цепи тягового органа фронтального агрегата АФК предназначенного для выемки тонких пологих пластов. Исследования проводились на полноразмерном стенде. Объектом изучения были величина и характер изменения усилия транспортирования угля выемочно-доставочной машиной агрегата. Полученные данные позволяют сделать вывод, что зуб звездочки нагружен неравномерно, причем нагрузка на зуб действует на угле его поворота 160 – 170 град. (рис. 2). От момента зацепления (т.0) до угла поворота, соответствующего центральному углу между соседними зубьями (т.1), рис.2, зуб воспринимает максимальную нагрузку. На участке т.1 – т.2 имеем двухпарное зацепление, а, следовательно, снижение нагрузки, которая стабилизируется на участке угла поворота т.2 – т.3. Затем нагрузка снижается до нуля, что соответствует переходу слабины цепи на ее холостую ветвь, то есть разгрузка зуба звездочки. Как следует из рис.2, характер самой нагрузки является высоко динамическим, что обусловлено характером взаимодействия рабочих органов машины со средой и местными сопротивлениями перемещения тяговой цепи. Рассмотрим, как будут изменяться напряжения в зубе звездочки при действии на него максимальной тяговой нагрузки, т.е. на угле поворота зуба от т.0 до т.1 (см. рис.2). В качестве примера рассмотрим звездочку агрегата АФК. Исходные условия и допущения: мощность привода, «приходящаяся» на одну половину зуба Nпр = 110 кВт; к.п.д. привода 0,8; линейная скорость перемещения цепи – 1,33 м/с; составляющей силы Pz пренебрегаем, тогда Px = Py = 23,5 кН, см. рис.1; тяговая сила Р приложена в точке, лежащей на делительном диаметре звезды в среднем диаметральном сечении ее зуба. Рассмотрим два возможных случая: зуб с ребордой и без нее, то есть консольный зуб. Учитывая сложность геометрической формы зуба и граничных условий, реальную нагрузку, для определения распределения напряженности в зубе используем метод поперечных элементов. При этом зуб был представлен в виде решетчатой структуры. Поверхность, образующая впадину зуба, была представлена в виде шести плоских сечений, причем линия впадины в каждом сечении аппроксимировалась полиномом второй степени. В результате этого были определены координаты (x, y, z) всех узлов элементов решетчатой структуры зуба. Напряжения для плоского напряженного состояния определялись по обобщенному закону Гука в матричной форме
- нормальные напряжения вдоль осей - касательные напряжения; - матрица упругих характеристик конечного элемента; - матрица деформаций.
Рис.3 Распределение напряжений в теле зуба звездочки агрегата АФК а) зуб с ребордой; б) консольный зуб.
где Е – модуль упругости первого рода; - коэффициент Пуассона.
где - линейные деформации вдоль осей - деформация сдвига, [1].
     Результаты расчета напряжений представлены графически на рис.3, откуда следует, что максимальные местные напряжения, достигающие 650 МПа, у зуба с ребордой формируются именно в ее зоне. Для консольного зуба максимальные местные напряжения достигают 1000 МПа и формируются у «заделки» зуба (рис.3б). В соответствии с [2] максимально допускаемые напряжения для от-ливки

     где - опасное напряжение; п - коэффициент запаса.
     Для переменной нагрузки и работе реборды на растяжение
где – предел прочности.
     Коэффициент запаса
где – коэффициент точности определения нагрузок, при точном определении нагрузок = 1,2 [2]; – коэффициент неоднородности свойств материала, для литья = 1,7 - 3,0; – коэффициент степени ответственности детали, для литья = 1,2 [2].
     Тогда для литейных сталей 15Л, 35Л значение = 43-53 МПа, а для высоколегированной стали 30ХГСФЛ - = 64 МПа. При этом местные напряжения в зоне реборды превышают допускаемые напряжения в 5-7 раз, что приводит к поломке реборды. после этого зуб становится консольным, а местные напряжения в заделке зуба будут уже почти в 20 раз выше допускаемых для литейных сталей, что может привести к поломке самого зуба.
     В случае изготовления звездочки методом ковки мы получаем консольные зубья. Однако даже для стали 40ХН

     Тогда = 200 МПа.
     При этом местные напряжения в консольном зубе превышают только в 5 раз допускаемые. Это означает, что при выполнении зуба звездочки консольной формы, звездочка, полученная методом ковки, имеет долговечность минимум на 25 % выше долговечности звездочки, полученной литьем.
     Следовательно, для повышения долговечности звездочек целесообразнее получать заготовки для них не литьем, а методами пластической деформации. Отсутствие реборды делает возможным формирование зубьев и ложа цепи обработкой резанием, так как открывает доступ инструмента к этим поверхностям..

Список литературы:
1. Подгорный А.Н., Марченко Г.А., Пустынников В.И. Основы и методы прикладной теории упругости. – К.: Вища школа, 1981. – 328 с.
2. Самохвалов Я.А., Левицкий М.Я., Григораш В.Д. Справочник техника - конструктора. – К.: Техніка, 1978. – 592 с.


Прогрессивные технологии и системы машиностроения:междунсродный сб. научн. трудов-Донецк;ДонГТУ,2001 Вып.15.