ДонНТУ   Портал магистров

Тимонин Артем Сергеевич

Электротехнический факультет

Кафедра горнозаводского транспорта и логистики

Специальность «Электромеханические системы геотехнических производств»

Снижение ударного воздействия колеса подвесного монорельсового локомотива при прохождении стыка пути

Научный руководитель: к.т.н., доц. Гутаревич Виктор Олегович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. История монорельса
• 1.1 Монорельсовый транспорт – это прежде всего безопасность
• 1.2 Подвесная дорога предназначена для перевозки материалов и людей в горной выработке
• 2. Актуальность темы
• 3. Исследование параметров монорельсового тягового устройства подвесной дороги
• 3.1 Математическая модель движения
• Список источников

Введение

В наше время в развитых странах очень широко используется подвесной монорельсовый транспорт. С его помощью решаются проблемы надземной развязки транспортных потоков. Зарубежная и отечественная практика показывает успешные результаты в применении монорельсового транспорта не только как надземного, но и как подземного. При эксплуатации в шахте монорельсового транспорта разрешаются или упрощаются задачи при перевозке людей и вспомогательных материалов по выработкам. Особенным его достоинством является практичность в применении и безопасность.

Существуют две системы монорельсовых дорог: с канатной и локомотивной тягой. Из них следует отдать предпочтение второй, так как она обеспечивает очень высокую безопасность. Также при эксплуатации дорог с канатной тягой возникает проблемы возможности работы на разветвленных линиях и перевозок на дальние расстояния.

1. История монорельса

Первый монорельс в мире появился в 1820 году в России. Тогда житель села Мячково в Подмосковье Иван Эльманов построил «Дорогу на столбах» – по верхнему продольному брусу катились вагонетки, которые тянули лошади. Немногим позже, независимо от русского изобретателя, монорельс схожей конструкции был изобретён в Великобритании Генри Робинзоном Пальмером. Он запатентовал своё изобретение 22 ноября 1821 года. В 1824 году в Великобритании был построен первый действующий монорельс. Он использовался на военно-морской верфи исключительно для перевозки грузов. Первый пассажирский монорельс в мире был открыт 25 июня 1825 года.

После этого в течение примерно полувека ничего нового в области строения монорельса не происходило. Попытки создать работоспособный монорельс, теперь уже на паровой тяге, возобновились в конце XIX века. Известно, что в 1872 году на политехнической выставке в Москве демонстрировался участок монорельсовой дороги конструкции инженера Лярского.

В общем в конце XIX века монорельс был частым гостем на разнообразных выставках. В 1872 году монорельс на кабельной тяге демонстрировался в Лионе, в 1891 году в Сент-Луисе демонстрировался монорельс с вагонами наподобие трамвайных.

В то же время создание действующего, работоспособного монорельса оказалось гораздо более сложным делом. В XIX веке было создано огромное количество конструкций монорельса, но большинство из них так и остались на бумаге, а те, которые были реализованы, не отличались долголетием. В 1878 году начал действовать паровой монорельс, соединяющий Брадфорд и Гилмор (Пенсильвания). Его длина составляла 6,4 км. Этот монорельс создавался для перевозок промышленного оборудования, но он также перевозил пассажиров. Брадфордский монорельс закрылся вскоре после случившейся 27 января 1879 года серьёзной катастрофы, когда погиб машинист монорельса и три его пассажира.

С развитием электротехники на монорельсах стали использовать электрический привод. Одна из первых электрических монорельсовых дорог, известная как Enos Electric Railway, была построена в 1887 году в Гринвилей, Нью-Джерси.

Как уже было указано выше, несмотря на активные поиски, создать монорельс, способный быть полноценным транспортным средством, в XIX веке так и не удалось. Единственный успешный монорельс той эпохи – построенный в Ирландии в 1888 году монорельс, соединявший Баллибунион и Листоуэл. Он просуществовал до 1924 года. Однако распространения эта конструкция не получила.

Первые монорельсы на конной тяге были подвесными. Паровые монорельсы имели своеобразную полуподвесную конструкцию: состав опирался на несущий рельс, стабильность обеспечивалась боковыми направляющими рельсами. Поперечный разрез такого пути напоминал букву «А», где верхняя точка соответствует несущему рельсу, а точки соединения боковых сторон и поперечной перекладины – направляющим. С появлением электрических монорельсов снова стала использоваться подвесная компоновка.

Однако предлагались и более необычные конструкции. В 1894 году в США была построена монорельсовая железная дорога Boynton Unicycle Railway. На этой дороге поезд опирался на один несущий рельс, сверху же проходил поддерживающий деревянный рельс. Основным недостатком такой дороги было то, что на поворотах из-за инерции («центробежной силы») на поддерживающий рельс действовали высокие силы.

В конце XIX века появились опорные монорельсы. В 1886 году в США был построен опытный монорельс такого типа, Meigs Monorail, но в те времена распространения такая конструкция не получила. Появившаяся в Америке система капитана Мейгса составляется из двух рельсов, расположенных один над другим отвесно и поддерживаемых металлическими колоннами. В основание этой системы положена идея сосредоточения всего давления, передаваемого на путь подвижным составом, в осевой линии поезда. Каждый вагон покоится на паре поворотных тележек, поддерживаемых двумя направляющими горизонтальными колёсами и четырьмя наклонными колёсами, с клиновидными желобами по ободу. Последние катятся на двух рельсах квадратного сечения, прикреплённых к нижним поясам решетчатых балок, образующих нижнее строение пути. Горизонтальные колеса локомотива служат, вместе с тем, для передачи движения, а потому эти колеса, для увеличения давления, прижимаются особыми приспособлениями к рельсам.

1.1 Монорельсовый транспорт – это прежде всего безопасность

В наше время активно начали внедрять новшества, которые обеспечивают безопасную работу горняков. Внедрение монорельсового транспорта позволило резко сократить объемы ручного труда на доставочных работах, уменьшить травматизм, связанный с перегрузками, прицепными устройствами подвижного состава, маневрами на разминовках, обрывами каната, сходом транспортных сосудов с рельсового пути, решить проблему доставки людей к месту ведения работ и обратно до выхода на поверхность. Благодаря перевозке людей по горным выработкам монорельсовой дорогой, с соблюдением четкого графика доставки, теперь рабочим нет необходимости идти пешком или ехать на средствах, не предназначенных для перевозки людей. Применение монорельсовых дизелевозов в монтажных камерах позволило резко сократить сроки и снизить трудоемкость монтажно-демонтажных работ.

Монорельсовая дорога – это транспортная система, в которой вагоны перемещаются по балке-монорельсу, установленной на отдельных опорах или эстакаде. Однако такое определение слишком расплывчато. Реально монорельсовые дороги подразделяются на ряд очень специфических разновидностей, общее между которыми – только монорельс.

1.2 Подвесная дорога предназначена для перевозки материалов и людей в горной выработке

Горная выработка может быть строена в горной породе с крепью бетонной, блочной, панельной или анкерной, чаще всего однако арочной.

На подвесной дороге можно транспортировать составы, тянутые тяговым устройством с собственным приводом или с помощью открытого или бесконечного каната и лебедки.

Подвесные дороги можно применять в среде с опасностью взрыва метана и угольной пыли.

2. Актуальность темы

Тема о монорельсовых дорогах, в частности с локомотивной тягой является одной из распространённых, развивающихся тем докладов, научных работ, исследований в наше время. Монорельсовые дороги играют важную роль в развитии горной промышленности во всём мире. Но не все страны могут внедрять новейшие установки в промышленность, также вся система имеет множество недоработок. Если не развивать и не улучшать характеристики эксплуатации данного вида транспорта, то потеряв свою ценность, его перестанут использовать. Множество ученых сделали свой ценнейший вклад в развитие монорельсового транспорта. Некоторые из них: Докт. техн. наук B.C. Берсенев, канд. техн. наук Л.И. Айзеншток, А.С Веткин, Л.Г. Желтухин, В.Н. Григорьев, В.В. Бухановский и другие. Наиболее подробно результаты научных исследований по созданию монорельсовых локомотивов приводятся в работах B.C. Берсенева. Основным направлением работ А.С. Веткина явились исследования процесса вписывания подвижного состава. Полученные закономерности не могут быть использованы для определения параметров тягового устройства, так как они относятся к прицепной части состава. Следует отметить, что, невзирая на большое количество публикаций, посвященных вопросам создания монорельсовых локомотивов, опубликованных в советской и зарубежной литературе, не существует определенной методики, позволяющей однозначно определить основные параметры монорельсовых дорог. Первые попытки в обобщении этих вопросов принадлежат В.Н. Григорьеву. На основании широких исследований им выявлены основные конструктивные схемы тяговых устройств, определены рациональные области применения монорельсовых дорог, рассмотрены вопросы влияния конструктивных особенностей монорельсового локомотива на параметры движения, о возможной скорости движения поезда и достаточной мощности локомотива, а также о способе регулирования привода.

В нашей стране, начиная с 60 годов, разработкой монорельсовых транспортных средств для угольных шахт занимается ряд научно-исследовательских организаций, в числе которых необходимо отметить ВНИИгидроуголь, Гипроуглегормаш, Донгипроуглемаш, ИГД им. А. А.Скочинского, МакНИИ, НПО «Углемеханизация» и др.

3. Исследование параметров монорельсового тягового устройства подвесной дороги

3.1 Математическая модель движения

Движение локомотива на подвесных рельсовых дорогах осуществляется по направленному пути (рельсу) и в большинстве случаев в шахтных условиях является движением в системе колесо-рельс.

Для того чтобы получить уравнение движения поезда, необходимо принять следующее расположение осей координат: ось ХХ – горизонтальная, вдоль оси рельса; ось YY – вертикальная, направленная вверх; и ось ZZ горизонтальная, перпендикулярная к оси ХХ и направлена вправо. Рассмотрим поезд как материальную точку, расположенную в центре его тяжести.

На рисунке 2 приведена схема подвесного поезда и действующих на него сил. Точки и – центр тяжести поезда и аэродинамический центр давления соответственно. Начало координат в точке О.

В общем случае при движении поезда массой m по прямой, на него действуют некоторые силы:

• вес поезда G=mg по направлению оси YY вниз, приложенный в точке ;
• сила инерции по направлению оси ХХ в точке ;
• сила тяги или торможения F по направлению оси ХХ, в точке О;
• сила сопротивления движению от механических потерь по направлению оси ХХ в точке О;
• сила воздушного сопротивления движению , представляющая собой геометрическую сумму сил и имеющая составляющую вдоль оси ХХ приложенная в точке .

Вертикальные и горизонтальные силы реакции рельса на рисунке 1 не показаны. При движении по кривой на поезд действует центробежная сила , направленная по оси ZZ с точкой приложения .

При наличии угла наклона пути к горизонту (>0), вес поезда раскладывается на две составляющие: по оси ХХ и , перпендикулярно к оси ХХ вниз.

Спроектировав все силы на ось ХХ (направление движения) получим основное уравнение движения поезда:

где – коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся масс подвижного состава;
s – путь движения поезда по направлению оси ХХ, м;
t – время, с;
знак «+» соответствует действию сил по направлению движения поезда.

Для определения составляющих уравнения 1 рассмотрим энергетическую составляющую процессов тяги. Для этого запишем выражение для механической работы на некотором малом промежутке в режиме тяги:

где – механическая работа локомотива со складом поезда, Дж;
– полное сопротивление движению поезда, Н;
– прирощение кинетической энергии движению поезда, Дж.

Для режима выбега, когда работа сил сопротивления осуществляется за счет уменьшения кинетической энергии

В режиме торможения дополнительные потери кинетической энергии происходят в тормозных устройствах поезда:

где – тормозная сила поезда, Н.

Из (2), (3) и (4) можно записать формулу для общего случая:

Величина полного сопротивления включает в себя основное и дополнительное. Дополнительное включает в себя составляющие, которые зависят от: конструкции движущегося состава, состояние внешней среды, параметры подвесного пути. Таким образом величину полного сопротивления можно записать как:

Прирост кинетической энергии определяется только заданной массой поезда, которая не меняется во время поездки, и скоростью его движения. Скорость зависит от соотношения работ сил тяги, сопротивления и торможения. При эксплуатации каждая составляющие уравнения (5) терпят изменения, которые можно оценить с помощью поправочных коэффициентов, которые определяются как отношение фактического значения работы и расчетных значений. Тогда уравнение (5) можно записать как:

где – коефициенты изменения работы соответственно силы тяги, сил сопротивления и тормозной силы поезда.

Рассмотрим составляющую, которая учитывает силы дополнительного сопротивления от плана и профиля пути:

где i – крутость уклона профиля колеи, ‰.

Отсюда с учетом формулы 7 найдем крутость наклона участка пути длиной :

Силы сопротивления движению и торможения определяются через соответствующие удельные силы, зависящие от скорости движения:

где – удельные силы сопротивления локомотива и состава соответственно, Н/кН;
– удельная тормозная сила, Н/кН;
P, Q – масса локомотива и склада соответственно, т.

Прирост кинетической энергии движения при изменении скорости от до на участке пути длиной определяется по формуле:

Тяговое усилие на приводных колесах можно найти из выражения:

где – вращающий момент на валу двигателя в установившемсярежиме, кНм;
–коэффициент мощностных потерь;
– передаточное число трансмиссии тягового устройства;
D – диаметр приводных колес, м.

Для движения локомотива с постоянной скоростью по прямолинейному участку пути необходимо преодолевать сопротивления движению поезда. При этом максимальное усилие на приводных колесах тягового устройства должно быть:

где m – масса перевозимого груза, т;
– собственная масса прицепной части поезда, включающая массы контейнеров, поддонов и сцепных тяг, т;
g – ускорение свободного падения, м/с^2;
– угол наклона монорельса, град;
M – масса локомотива, т;
W' – коэффициент сопротивления движению ходовых колес прицепной части поезда с грузом;
– коэффициенты сопротивления движению ходовых и приводных колес локомотива соответственно;
– число пар приводных колес (приводных модулей);
Р – суммарное усилие прижатия пары приводных колес, кН.

Кроме этого необходимо, чтобы определяемое из уравнения (14) максимальное усилие на приводных колесах не превышало силу сцепления, которую принято считать равной:

где – коэффициент сцепления приводных колес с монорельсом.

Значения коэффициента сцепления приводных колес с монорельсом приведены в таблице 1:

Из (14) и (15) следует, что предельное значение перевозимого груза можно найти по уравнению установившегося режима

Входящие в это уравнение коэффициенты , W', являются эмпирическими. Рассматривается установившейся режим, поскольку инерционные нагрузки, характерные для неустановившегося режима, незначительны по сравнению с силами статических сопротивлений, что объясняется низкими скоростями движения монорельсовых локомотивов в шахтных условиях.

Полученное уравнение (16) связывает между собой три переменные: допустимую массу груза по условиям сцепления приводных колес с монорельсом, угол наклона монорельсового пути и усилие прижатия приводных колес.

Сопротивление воздуха движению состава тем больше, чем выше скорость движения и значительнее лобовая площадь состава. Сила сопротивления воздуха также зависит от геометрических форм локомотива и прицепной части – обтекаемости. В шахтных условиях имеет место скорость воздуха при проветривании выработки , по которой движется состав. Причём принимает как положительные так и отрицательные значения, в зависимости от направления движения состава относительно направления воздушного потока.

Исходя из этого, можно записать выражение для определения воздушного сопротивления движению состава:

где: S – лобовая площадь, м^2;
v – скорость движения подвижного состава, м/с;
k – коэффициент обтекаемости, Нс^2/м^4;
– скорость воздуха проветривания выработки.

При написании данного реферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2013 года.

Список источников

1. Петренко О.С. Подвесные рельсовые дороги. М.: Машиностроение, 1982.
2. Проектування та конструювання транспортних і підйомних машин та комплексів./Під ред. В.О.Будішевського – Донецьк: Норд-Пресс, 2009. – 599с.
3. Подземный транспорт шахт и рудников./Под ред. Пейсаховича Г.Я., Ремизова И.П. – М.: Недра, 1985. – 566с.
4. Григорьев В.Н. Выбор рациональных схем тяговых устройств монорельсовых локомотивов// РЖ «Горное дело». – 1973. - №6 – А202.
5. Ширин Л.Н. Оценка эксплуатационных параметров подвесных монорельсовых дорог / Ширин Л.Н., Посунько Л.Н., Расцветаев В.А. // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2008. – Вип. 76. – С. 91 – 96.
6. Гиленко В.А. Монорельсовый транспорт при проходке горизонтальных горных выработок / Гиленко В.А., Кадышев В.В, Костюченко С.И. // Обзор. – М. – 1975. – 35 c.
7. Лобов И.А. Дизельные локомотивы для монорельсовой транспортной системы шахт// РЖ «Горное дело». – 1974. - №1 – Б418.
8. Веткин А.С. Вписывание локомотивов в вертикальные закругления монорельсовых путей. Горные, строительные и дорожные машины. - Киев, 1983.
9. Ороховский И.И. Монорельсовые дороги с дизельным приводом / И.И. Ороховский, Кулевкин, Г.С. Руденко. – М.: ЦНИЭИуголь, 1980. – 40 с.
10. Beal M. Усовершенствование монорельсовой установки на шахте// РЖ «Горное дело». – 1975. - №11 – Б474.
11. Шахтарь П.С. Рудничные локомотивы. – М.: Недра, 1992. – 296с.
12. Шамин В.С., Сардов А.И., Ли А.А., Свадковский В.Г. Подвеска для закрепления монорельса в горных выработках// РЖ «Горное дело». – 1974. - №12 Б253.
13. Айзеншток Л.И. Исследование динамики и обоснование параметров конструкции и условий эксплуатации шахтных скоростных монорельсовых дорог: Автореф. дис. Канд. тех. наук. – Днепропетровск, 1983.
14. Arnold Hartmut. Методы исследований монорельсовых и напольных дорог// РЖ «Горное дело». – 1974. - №10 – А259.
15. Григорьев В.Н. Установление зависимости между весом и мощностью монорельсовых локомотивов// РЖ «Горное дело». – 1973. - №5 – Б699.
16. Мерецкий В.М., Лобов И.А. Особенности расчета тяговой характеристики монорельсового дизелевоза ДМВ-5// РЖ «Горное дело». – 1972. - №11 – Б533.
17. Нос В.С., Айзеншток Л.И. О зазорах в выработках при монорельсовом транспорте // Безопасность труда в промышленности. Сб. науч. тр. / МакНИИ. – 1982. – №2. – С. 47-48.
18. Лещов Г.К., Хан В.В. Аварийно-стояночная тормозная система монорельсового состава с дизелевозом ДМВ-5// РЖ «Горное дело». – 1975. - №10 – Б684.
19. SMT Scharf [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://smtscharf.com/cms/front_content.php?lang=5&idcat=3. Дата обращения 01.06.2011.