Магістр ДонНТУ Головатий Iлля Володимирович

Головатий Iлля Володимирович

Факультет енергомеханіки і автоматизації

Кафедра гірничозаводського транспорту і логістики

Спеціальність: Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв

Тема випускної роботи:

"Обгрунтування раціональних параметрів та розробка гальмової системи до акумуляторного електровозу АРП10-900"

Науковий керівник: Чебаненко Констянтин Іванович
Про автора

Вступ

Переміщення гірських порід і, зокрема, корисних копалин є одним з основних виробничих процесів гірничого підприємства. Цим пояснюється та виняткова роль, яка належить рудничному транспорту в гірничій справі. Однієї з найважливіших складових частин транспорту є електровозна відкатка. У порівнянні з іншими видами механізованого рудничного транспорту вона в переважній більшості випадків найбільш економічна й продуктивна [1]. За показниками надійності й безпеки експлуатації шахтних електровозів одним з найбільш відповідальних вузлів є гальмове обладнання, яке безпосередньо створює штучний опір руху електровоза.

Актуальність теми. Мети та задачі роботи

Значення гальмових обладнань зростає у зв'язку з інтенсифікацією виробництва, збільшенням мас, що рухаються, швидкостей переміщення й частоти гальмувань. Протягом короткого періоду часу гальмові пристрої повинні перетворити в теплову енергію значне кількість механічної енергії й передати в навколишнє середовище без зниження працездатності як обладнання, так і машини в цілому. Основними напрямками підвищення надійності й ефективності використання гальмових обладнань є конструктивне удосконалення механічної частини й приводу існуючих гальм і створення нових конструктивних різновидів, розробка й застосування нових матеріалів з підвищеними фрикційними властивостями. У зв'язку з підвищенням видобутку вугілля, зростають навантаження на електровоз. При цьому потрібно принципово нові конструкції гальмових обладнань, які забезпечували необхідне гальмове зусилля при малих габаритах [2].

Наукова значимість теми полягає у виборі раціональних параметрів гальмової системи, що забезпечить високий гальмовий момент при малих габаритах.

Практична цінність результатів роботи в тому, що розроблене дискове гальмо й привід до нього здатний замінити діюче на електровозі АРП-10 колодкове гальмо з механічним приводом. Габарити дискового гальма менше, чим колодкового, а швидкодія приводу дискового гальма суттєво вище, чим механічного.

Ціль роботи: вибір і визначення параметрів гальмової системи електровоза АРП10-900 для підвищення надійності, зниження габаритів гальмових обладнань, швидкості спрацьовування, виключення зношування бандажів коліс.

Для досягнення зазначеної мети, поставлені наступні основні задачі:
- вибір найбільш підходящого виконавчого механізму гальмового пристрою;
- вибір фрикційних матеріалів;
- вибір системи управління й привода виконавчого механізму;
- розрахунок елементів гальмового пристрою;
- тепловий розрахунок фрикційних матеріалів.

Огляд досліджень за темою наукової роботи

В Україні питаннями створення ефективних гальмових обладнань і систем займався кандидат технічних наук Моня Андрій Григорович. Його роботи: "Обгрунтування й вибір раціональних параметрів дискового гальма шахтного локомотива", де було розроблено дискове гальмо для шахтного локомотива; "Математичне моделювання гальмування шахтного локомотива дисковим гальмом, що створюють пульсуючий гальмовий момент", де наведений порівняльний аналіз реалізації максимально можливого коефіцієнта зчеплення коліс із рейками при гальмуванні шахтного локомотива дисковим гальмом, яке створює постійний і пульсуючий гальмовий моменти на осі колісної пари. Показане, що при пульсуючому гальмовому моменті зменшується час гальмування й гальмовий шлях шахтного локомотива. Питанням розробки нової посиленої гальмової системи електровоза займався доктор технічних наук А. А. Ренгевич [3]. Однак так і не було вирішено питання збільшення швидкодії, зменшення енергоспоживання (тому що джерелом харчування приводу гальма була акумуляторне батарея), і зниження габаритів.

Короткий огляд і аналіз гальмових пристроїв

По конструктивному виконанню робочих елементів розрізняють гальма: колодкові — з робочим елементом у вигляді колодки, взаємодіючої с зовнішньою або внутрішньою поверхнею гальмового барабана; стрічкові — з робочим елементом у вигляді гнучкої стрічки, взаємодіючої с гальмовим барабаном; дискові — з робочим елементом у вигляді цілих дисків або окремих сегментних колодок; конічні — з робочим елементом у вигляді конуса; рейкові — з робочим елементом, взаємодіючим із площиною рейки, по якій переміщається машина, або зі спеціальної напрямної. Колодкові гальма найбільше широко застосовуються в акумуляторних електровозах. Конструкція колодкового гальма не дозволяє забезпечити інтенсивний відвід тепла від поверхонь тертя деталей. У них спостерігається деформація каркаса колодок і гальмового барабана внаслідок нерівномірного нагрівання. Більш досконалою конструкцією характеризуються камерні гальма (багатоколодкові). Однак вони мають більш високу вартість і трудомісткість виготовлення. Простотою конструкції й компактністю відрізняються стрічкові гальма. Основним недоліком стрічкових гальм слід уважати нерівномірність розподілу нормального зусилля притиснення фрикційної стрічки й пов'язаний з цим нерівномірне зношування, що набігає, що й збігає кінців стрічки, передача значних згинаючих зусиль на гальмовий вал і менша експлуатаційна надійність. Багатодискові гальма, однакові по габаритах з камерними, поглинають в 1,5 разу більше кінетичної енергії, а кількість тепла, акумулююче фрикційної парою дискового гальма, значно більше кількості тепла, яке акумулюється гальмовим барабаном і колодками камерного гальма. Конусні гальма звичайно вбудовуються в електродвигун і вимагають певної конструкції останнього [2]. Рейкові гальмові обладнання широко застосовуються в шахтних електровозах, тому що добре підходять для екстреного гальмування, однак вони не можуть реалізувати стояночний режим, а також у результаті їх використання в якості робочого гальмування зменшується час роботи електровоза від батареї. Як ми бачимо найбільш перспективними є дискові гальма, а саме багатодискові гальма й дисково-колодкові. Виходячи з конструктивних параметрів я попередньо вибрав багатодисковий гальмо як для робочого гальмування, так і стояночного.

Аналіз фрикційних матеріалів і попередній вибір для фрикційної пари

Одним з основних вимог до гальмових пар тертя, є вимога високої фрикційної теплостійкості, тобто здатності зберігати номінальне значення коефіцієнта тертя й необхідну величину зношування елементів пари тертя у всім діапазоні робочих температур. Розрізняють фрикційні матеріали для досить легенів (температура на поверхні тертя нижче 100 0С і температура у обсягу тіла не вище 50 0С), легких (відп. 250 и 150 0С), середніх (600 и 350 0С), важких (1000 и 600 0С) і надважких (більше 1000 та бшльш ніж 600 0С) умов експлуатації; працюють в умовах сухого тертя й у присутності мастильних рідин [4].

Виходячи зі значень середнього коефіцієнта тертя, стабільності коефіцієнта тертя, лінійного зношування за гальмування, максимально припустимої температури (узяв середні умови експлуатації), я орієнтовно вибрав фрикційний матеріал МКВ-50А, контртіло - диск, виконаний з чавуну ЧНМХ. Середній коефіцієнт тертя в парі 0.35.

Даний вибір матеріалів є попереднім, остаточне рішення про вибір матеріалів необхідно ухвалювати виконавши тепловий розрахунок.

Визначення необхідного загальмовуючого моменту і розрахунок елементів дискового гальмового пристрою

Для електровоза АРП10-900 необхідний загальмовуючий момент на одній осі електровоза при розташуванні гальмового обладнання на другому валу редуктора (між колісною парою й валом електродвигуна) рівний

де Р - зчіпна сила тяжіння електровоза, кН; ψ- коефіцієнт зчеплення коліс електровоза з рейками; Dк-діаметр колеса по кругу катання, м; U4,5-передаточное число між шестернями валів 2 и 3 (шестерня 2 закріплена на валу, де розташовується дисковий гальмовий пристрій, шестерня 3 закріплена на валу колісної пари); ηп- ККД зубчатої передачї. Гальмовий момент на другому валу редуктора суттєво менше, чим на валу, де розташована колісна пара, це дає можливість знизити габарити гальмового обладнання, а головне знизити зусилля, необхідне для загальмовування електровоза і його повної зупинки. Однак кутова швидкість на другому валу вище, що робить необхідним проводити тепловий розрахунок гальма з метою розрахунку максимальної температури і вживання заходів для недопущення перевищення її над припустимою. Гальмовий момент дискового гальма рівний
Мтд=N·φ·z·rcp
где N- осьове зусилля, Н; φ- коефіцієнт тертя; z- число пар поверхонь тертя; rcp- радіус дії сили тертя, еквівалентній усім елементарним силам тертя на площі контакта фрикційної пари, м. rcp при рівномірному зношуванню поверхонь тертя (що можливо, якщо добуток тиску в будь-якій крапці поверхні тертя на швидкість цієї крапки є постійним) рівний (Rн+Rв)/2, где Rн та Rв відповідно зовнішній та внутрішній радіуси поверхонь тертя. Для того, щоб визначити число пар поверхонь тертя необхідно розрахувати площу номінального контакту:
де [p]- допустимий тиск, Па. Число пар поверхонь тертя:
где Dн та Dв відповідно зовнішній та внутрішній діаметри поверхонь тертя.

Розрахував і вибрав шліцеве з'єднання [5], пружину для стояночного гальма [6], вибрав ущільнення для вала редуктора 7, відповідно до [8], де були обрані розміри секторних фрикційних накладок, а також виходячи з рекомендацій, викладених в [2], [9], [10], запропонована наступна конструкція гальмового пристрою:

Параметри анімації: gif-анімація, число кадрів - 3, число циклів - ∞, розмір 64,1 кБ

Рисунок 1 – Гальмовий пристрый: I - розгальмований, II - робоче гальмування, III - стояночне гальмування, 1 - диски, які зафіксовані від обертового руху в корпусі, 2 - диски, що обертаються разом с гальмовим валом, 3 - пружина для стояночного гальмування.

Для приведення у дію гальмового пристрою, зображеного на рис. 1 використовується гідралічний привід з насосом.

Визначення гальмового шляху составу

Отримані вираження для визначення гальмового шляху складу залежно від тиску, що прикладається до поршнів багатодискового гальма:

де Р - зчіпна сила тяжіння електровоза, кН, Q - сила тяжіння поїзду (навантаженого або порожнього), найдений при розрахунку максимальної кількості вагонеток у составі, кН, ω - опір руху (навантаженої або порожньої вагонетки), Н/кН, i - ухил рейкового шляху, V - швидкість руху составу до початку, км/г, lт - гальмовий шлях, м, S - сумарна площа поршнів гальмових циліндрів, м2, В - гальмова сила, необхідна для загальмовування составу, Н, ηмех- механічний коефіцієнт, що враховує втрати потужності на тертя між поршнем і циліндром, Рр - тиск у гідросистемі, Па. У даній формулі "+" - при русі составу під ухил, "-" - на підйом. Обмежуючим фактором є максимально можлива гальмова сила за умовою зчеплення коліс із рейками, відповідно максимальний тиск у гідросистемі складе:

Виходячи із залежностей наведених вище побудував графік зміни гальмового шляху залежно від тиску в гідросистемі (розрахунок проводився на прикладі умов шахти "Родинська").

Рисунок 2 - Залежність гальмового шляху від тиску при гальмуванні навантаженого составу під ухил.

Висновки

1. Проведений аналіз фрикційних матеріалів у результаті чого для фрикційної пари обраний: фрикційний матеріал – спечений на основі заліза МКВ-50А, контртіло – диск, виконаний із чавуну ЧНМХ.

2. Багатодискове гальмо встановлюється на другому валу редуктора, при цьому момент, що загальмовує Mт2=1192 Нм, число пар поверхонь тертя - 4.

3. Розроблена конструкція багатодискового гальма, максимальний тиск склав 1,2 МПа.

4. Отримані рівняння для визначення гальмового шляху складу залежно від тиску, що прикладається до поршнів багатодискового гальма.

На даний момент магістерська робота перебуває в стадії написання, більш докладну інформацію можна одержати у автора або у наукового керівника після грудня 2009 року.

Література

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".

7. ГОСТ 8752-79. - "Манжеты армированные".

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".