Головатый И. В. Обоснование рациональных параметров и разработка тормозной системы для аккумуляторного электровоза АРП10-900

Перемещение горных пород и, в частности, полезных ископаемых является одним из основных производственных процессов горного предприятия. Этим объясняется та исключительная роль, которая принадлежит рудничному транспорту в горном деле. Одной из важнейших составных частей транспорта является электровозная откатка. По сравнению с другими видами механизированного рудничного транспорта она в подавляющем большинстве случаев наиболее экономична и производительна [1]. По показателям надёжности и безопасности эксплуатации шахтных электровозов одним из наиболее ответственных узлов является тормозное устройство, которое непосредственно создаёт искусственное сопротивление движению электровоза.

Актуальность темы. Цели и задачи работы

Значение тормозных устройств возрастает в связи с интенсификацией производства, увеличением движущихся масс, скоростей перемещения и частоты торможений. В течение короткого периода времени тормозные устройства должны преобразовать в тепловую энергию значительное количество механической энергии и передать в окружающую среду без снижения работоспособности как устройства, так и машины в целом. Основными направлениями повышения надёжности и эффективности использования тормозных устройств являются конструктивное усовершенствование механической части и привода существующих тормозов и создание новых конструктивных разновидностей, разработка и применение новых материалов с повышенными фрикционными свойствами. В связи с повышением добычи угля, возрастают нагрузки на электровоз. При этом требуется принципиально новые конструкции тормозных устройств, которые обеспечивали необходимое тормозное усилие при малых габаритах [2].

Научная значимость темы заключается в выборе рациональных параметров тормозной системы, что обеспечит высокий тормозной момент при малых габаритах.

Практическая ценность результатов работы в том, что разработанный дисковый тормоз и привод к нему способен заменить действующий на электровозе АРП-10 колодочный тормоз с механическим приводом. Габариты дискового тормоза меньше, чем колодочного, а быстродействие привода дискового тормоза существенно выше, чем механического.

Цель работы: выбор и определение параметров тормозной системы электровоза АРП10-900 для повышения надёжности, снижения габаритов тормозных устройств, быстроты срабатывания, исключения износа бандажей колёс.

Для достижения указанной цели, поставлены следующие основные задачи:
- выбор наиболее подходящего исполнительного механизма тормозного устройства;
- выбор фрикционных материалов;
- выбор системы управления и привода исполнительного механизма;
- расчёт элементов тормозного устройства;
- тепловой расчёт фрикционных материалов.

Обзор исследований по теме научной работы

В Украине вопросами создания эффективных тормозных устройств и систем занимался кандидат технческих наук Моня Андрей Григорьевич. Его работы: "Обоснование и выбор рациональных параметров дискового тормоза шахтного локомотива", где был разработан дисковый тормоз для шахтного локомотива; "Математическое моделирование торможения шахтного локомотива дисковым тормозом, создающим пульсирующий тормозной момент", где приведен сравнительный анализ реализации максимально возможного коэффициента сцепления колёс с рельсами при торможении шахтного локомотива дисковым тормозом, который создаёт постоянный и пульсирующий тормозной моменты на оси колёсной пары. Показано, что при пульсирующем тормозном моменте уменьшается время торможения и тормозной путь шахтного локомотива. Вопросом разработки новой усиленной тормозной системы электровоза занимался доктор технических наук А.А. Ренгевич [3]. Однако так и не был решён вопрос увеличения быстродействия, уменьшения энергопотребления (т. к. источником питания привода тормоза была аккумуляторная батарея), и снижения габаритов.

Краткий обзор и анализ тормозных устройств

По конструктивному исполнению рабочих элементов различают тормоза: колодочные — с рабочим элементом в виде колодки, взаимодействующей с наружной или внутренней поверхностью тормозного барабана; ленточные — с рабочим элементом в виде гибкой ленты, взаимодействующей с тормозным барабаном; дисковые — с рабочим элементом в виде целых дисков или отдельных сегментных колодок; конические — с рабочим элементом в виде конуса; рельсовые — с рабочим элементом, взаимодействующим с плоскостью рельса, по которому перемещается машина, или со специальной направляющей. Колодочные тормоза наиболее широко применяются в аккумуляторных электровозах. Конструкция колодочного тормоза не позволяет обеспечить интенсивный отвод тепла от поверхностей трения деталей. У них наблюдается деформация каркаса колодок и тормозного барабана вследствие неравномерного нагрева. Более совершенной конструкцией характеризуются камерные тормоза (многоколодочные). Однако они имеют более высокую стоимость и трудоемкость изготовления. Простотой конструкции и компактностью отличаются ленточные тормоза. Основным недостатком ленточных тормозов следует считать неравномерность распределения нормального усилия прижатия фрикционной ленты и связанный с этим неравномерный износ набегающего и сбегающего концов ленты, передача значительных изгибающих усилий на тормозной вал и меньшая эксплуатационная надежность. Многодисковые тормоза, одинаковые по габаритам с камерными, поглощают в 1,5 раза больше кинетической энергии, а количество тепла, аккумулируемое фрикционной парой дискового тормоза, значительно больше количества тепла, которое аккумулируется тормозным барабаном и колодками камерного тормоза. Конусные тормоза обычно встраиваются в электродвигатель и требуют определённой конструкции последнего [2]. Рельсовые тормозные устройства широко применяются в шахтных электровозах, т.к. хорошо подходят для экстренного торможения, однако они не могут реализовать стояночный режим, а также в результате их использвания в качестве рабочего торможения уменьшается время работы электровоза от батареи. Как мы видим наиболее перспективными являются дисковые тормоза, а именно многодисковые тормоза и дисково-колодочные. Исходя из конструктивных параметров я предварительно выбрал многодисковый тормоз как для рабочего торможения, так и стояночного.

Анализ фрикционных материалов и предварительный выбор для фрикционной пары

Одним из основных требований, предъявляемых к тормозным парам трения, является требование высокой фрикционной теплостойкости, т. е. способности сохранять номинальное значение коэффициента трения и требуемую величину износа элементов пары трения во всем диапазоне рабочих температур. Различают фрикционные материалы для весьма легких (температура на поверхности трения ниже 100 ⁰С и температура в объеме тела не выше 50 ⁰С), легких (соотв. 250 и 150 ⁰С), средних (600 и 350 ⁰С), тяжелых (1000 и 600 ⁰С) и сверхтяжелых (более 1000 и более 600 ⁰С) условий эксплуатации;работают в условиях сухого трения и в присутствия смазочных жидкостей [4].

Исходя из значений среднего коэффициента трения, стабильности коэффициента трения, линейного износа за торможение, максимально допустимой температуры (взял средние условия эксплуатации), я ориентировочно выбрал фрикционый материал МКВ-50А, контртело - диск, выполненный из чугуна ЧНМХ. Средний коэффициент трения в паре 0.35.

Данный выбор материалов является предварительным, окончательное решение о выборе материалов необходимо принимать выполнив тепловой расчёт.

Определение необходимого затормаживающего момента и расчёт элементов дискового тормозного устройства

Для электровоза АРП10-900 необходимый затормаживающий момент на одной оси электровоза при расположении тормозного устройства на втором валу редуктора (между колёсной парой и валом электродвигателя) равен

где Р -сцепная сила тяжести электровоза, кН; ψ- коэффициент сцепления колёс электровоза с рельсами; D_к-диаметр колеса по кругу катания, м; U_4,5-передаточное число между шестернями валов 2 и 3 (шестерня 2 закреплена на валу, где располагается дисковое тормозное устройство, шестерня 3 закреплена на валу колёсной пары); η_п- КПД зубчатой передачи. Тормозной момент на втором валу редуктора существенно меньше, чем на валу, где расположена колёсная пара, это даёт возможность снизить габариты тормозного устройства, а главное снизить усилие, необходимое для затормаживания электровоза и его полной остановки. Однако угловая скорость на втором валу выше, что делает необходимым проводить тепловой расчёт тормоза с целью расчёта максимальной температуры и принятия мер для недопущения превышения её над допустимой. Тормозной момент дискового тормоза равен

где N- осевое усилие, Н; φ- коэффициент трения; z- число пар поверхностей трения; r_cp- радиус действия силы трения, эквивалентной всем элементарным силам трения на площади контакта фрикционной пары, м. r_cp при равномерном изнашивани поверхностей трения (что возможно, если произведение давления в любой точке поверхности трения на скорость этой точки является постоянным) равен (R_н+R_в)/2, где R_н и R_в соответственно наружный и внутренний радиусы поверхностей трения. Для того, чтобы определить число пар поверхностей трения необходимо расчитать площадь номинального контакта, которая равна:

Расчитав и выбрав шлицевое соединение [5], пружину для стояночного тормоза [6], выбрав уплотнения для вала редуктора [7], в соответствии с [8], где были выбраны размеры секторных фрикционных накладок, а также исходя из рекомендаций, изложенных в [2], [9], [10], предложена следующая конструкция тормозного устройства:

Рисунок 1 - Тормозное устройство: I - расторможен, II - рабочее торможение, III - стояночное торможение, 1 - диски, которые зафиксированы от вращательного движения в корпусе, 2 - диски, вращающиеся вместе с тормозным валом, 3 - пружина для стояночного торможения.

Для приведения в действие тормозного устройства, изображенного на рис. 1 используется гидравлический привод с насосом.

Определение тормозного пути состава

Получены выражения для определения тормозного пути состава в зависимости от давления прикладываемого к поршням многодискового тормоза:

где Р - сцепная сила тяжести электровоза, кН, Q - сила тяжести поезда (гружёного или порожнего), определённый при расчёте максимального колличества вагонеток в составе, кН, ω - сопротивление движению (гружёной или порожней вагонетки), Н/кН, i - уклон рельсового пути, V - скорость движения состава к началу торможения, км/ч, l_т - тормозной путь, м, S - суммарная площадь поршней тормозных цилиндров, м², В - тормозная сила, необходимая для затормаживания состава, Н, η_мех- механический коэффициент, учитывающий потери мощности на трение между поршнем и цилиндром, Р_р - давление в гидросистеме, Па. В данной формуле "+" - при движении состава под уклон, "-" - на подъём. Ограничивающим фактором является максимально возможная тормозная сила по условию сцепления колёс с рельсами, соответственно максимальное давление в гидросистеме составит:

Исходя из зависимостей приведенных выше построил график изменения тормозного пути в зависимости от давления в гидросистеме (расчёт проводился на примере условий шахты "Родинская").

Рисунок 2 - Зависимость тормозного пути от давления при торможении гружёного состава под уклон.

Выводы

1. Проведён анализ фрикционных материалов в результате чего для фрикционной пары выбран: фрикционный материал – спечёный на основе железа МКВ-50А, контртело – диск, выполненный из чугуна ЧНМХ.

2. Многодисковый тормоз устанавливается на втором валу редуктора, при этом затормаживающий момент M_т2=1192 Нм, число пар поверхностей трения - 4.

3. Разработана конструкция многодискового тормоза, максимальное давление составило 1,2 МПа.

4. Получены выражения для определения тормозного пути состава в зависимости от давления прикладываемого к поршням многодискового тормоза.

На данный момент магистерская работа находится в стадии написания, более подробную информацию можно получить у автора или у научного руководителя после декабря 2009 года.

Литература

1. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. – М.: Недра, 1981. - 278 c.

2. Александров М. П. Тормозные устройства: Справочник. – М.: Машиностроение, 1985. – 312 с.

3. Ренгевич А. А., Салов В.А. Разработка усиленной тормозной системы и её размещения на рудничных электровозах // Горный журнал, 1985. – №6. – с. 7

4. Федорченко И.М., Крячек В. М., Панаиоти И. И. Современные фрикционные материалы. – Изд. «Наукова думка», 1975. – 335 с.

5. http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=150986 Сайт "Федерального агенства по техническому ругулированию и метрологии". ГОСТ 1139-80. - "Соединения шлицевые прямобочные. Размеры и допуски".

6. http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=141886 Сайт "Федерального агенства по техническому ругулированию и метрологии". ГОСТ 13773-86. - "Пружины винтовые цилиндрические сжатия II класса, разряда 4 из стали круглого сечения. Основные параметры витков".

8. http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=134284 Сайт "Федерального агенства по техническому ругулированию и метрологии". ГОСТ 1786-95. - "Накладки фрикционные. Общие технические требования".

9. Хебда М., Чичинадзе А. В. Справочник по триботехнике - т. 3, М.: Машиностроение, 1992. - 730 с.

10. ГОСТ 12.2.112-86. - "Система стандартов безопасности труда. Транспорт рудничный электровозный. Общие требования безопасности к подвижному составу".

Головатый Илья Владимирович

Факультет энергомеханики и автоматизации

Кафедра горнозаводского транспорта и логистики

Специальность: Электромеханическое оборудование энергоёмких производств

Тема выпускной работы:

"Обоснование рациональных параметров и разработка тормозной системы для аккумуляторного электровоза АРП10-900"

Научный руководитель: Чебаненко Константин Иванович

Реферат по теме выпускной работы

Введение