Проектирование
колесно-реечного зубчатого
зацепления
с оптимальными параметрами
И.А.Горобец, Бен Айша Зиед
г.Донецк,
Украина
Движитель колесно-реечного типа является исполнительным механизмом системы перемещения современных горных комбайнов, удовлетворяющих требованиям безопасности труда и высокой производительности.
Тяжелые условия работы горного комбайна, приводящие к уменьшениям межцентрового расстояния между приводным колесом и рейкойдо 10% от номинального, неизбежные погрешности изготовления реек экономически целесообразными методами - литьем, штамповкой, сваркой, приводящие к изменениям формы и шага зубьев рейки (до 3,3% номинальной его величины) и принятая в настоящее время форма профиля зубьев движителя обусловливают:
1.Неравномерность тягового усилия, определяемая коэффициентом неравномерности (отношение максимальной величины к средней) достигает 1,54. Это обстоятелство приводит к увеличению динамической нагруженности узлов комбайна;
2.Неравномерность скорости перемещения (коэффициент неравномерности 1,10), которая приводит к снижению производительности комбайна;
3.Появление значительных знакопеременных радиальных усилий зацепления, снижающих мгновенное значение КПД передачи ( с 0,90 до 0,30);
4.Значительную скорость скольжения зубьев движителя, которая увеличивает работу сил трения и снижает долговечность приводных элементов движителя [1].
Учитывая эксплуатационные, технологические и конструктивные недостатки движителей колесно-реечного типа очистных комбайнов, разработана методика определения оптимального профиля зубьев движителей.
В качестве критериев оптимизации используются :
где 
- максимальное , минимальное и среднее тяговое усилие
соответственно; 
- максимальная, минимальная
и средняя скорость перемещения комбайна соответственно ; 
- максимальная,
минимальная и средняя скорость скольжения зубьев соответственно.
Ограничениями
при оптимизации профиля зубьев является отсутствие снижения прочности
зубьев 
и коэффициента перекрытия зубчатой передачи Кп:
и 
,
где 
и 
- предельно допустимые значения напряжений в зубьях движителя и коэффициента перекрытия
зубчатой передачи .Факторами при проведении процедуры оптимизации
являются межцентровое расстояние 
и шаг зубьев рейки 
.
,
где 
, 
- номинальное
значение межцентрового расстояния движителя и его изменения
соответственно; 
- приведенный
коэффициент жесткости элементов движителя и опорной системы комбайна; 
-радиальное усилие в
зацеплении i-го
зуба приводного колеса и
рейки; m
- количество одновременно
взаимодействующих зубьев .
Хотя
исследованиями [2] и установлен случайный характер распределения плотностей вероятностей шага
зубьев рейки 
, но в расчетах
следует принимать не только наиболее вероятное значение шага зубьев рейки, но и крайние его
значения 
и 
, имеющие
место в реальных условиях.
Математическая
модель процесса зацепления реализована в виде взаимодействующих зубьев , образованных
произвольными кривыми Ф(x,y)
и 
(x,y), непрерывными на всем
участке профиля .
Силовые и кинематические параметры зацепления определяются выражениями:
где 
- ошибка
профиля зубьев движителя, обусловленная технологией его изготовления и износом в процессе эксплуатации; 
- коэффициент жесткости сопряженной пары зубьев колеса и рейки; 
- коэффициент трения
в зацеплении ; 
, 
- полярные координаты
точки контакта на профиле зубьев колеса при его повороте из 
до 
положения на угол 
; 
- значения частных
производных функций 
в точке контакта по
переменным 
соответственно ; 
- угловая скорость
приводного колеса движителя.
Решением задачи оптимизации (применительно к движителям комбайнов КА и КА-80) установлено существование оптимального профиля зубьев колеса и рейки, существенно отличающегося от базового и позволяющего по сравнению с ним:
1.Снизить в 1,5 раза неравномерность тягового усилия;
2.Снизить в 2,5 раза радиальное усилие в зацеплении;
3.Снизить в 1,5 раза неравномерность скорости перемещения комбайна;
4.Снизить в 1,3 раза среднюю скорость скольжения зубьев;
5.Повысить в среднем на 15% КПД движителя.
Проверка полученных результатов оптимизации осуществлялась на специально разработанном полноразмерном стенде [3], с натурным движителем. Стенд оснащен специальными тензометрическими устройствами для измерения усилий в зубчатом зацеплении и точек его приложения [4], датчиками для измерения изменения межцентрового расстояния движителя [5], мгновенной скорости перемещения и другими устройствами. Результаты экспериментальных исследований процесса зацепления движителя с оптимальным профилем зубьев подтвердили теоретические выводы. При этом погрешность мгновенных величин не превосходила 20% , а средних – 10%.
Таким образом, разработанная методика позволяет определить оптимальный профиль зубьев колесно-реечных передач, обеспечивающий снижение неравномерности тягового усилия и скорости перемещения комбайна, снижение скорости скольжения зубьев в зацеплении и амплитуд радиального усилия. Это позволит снизить динамическую нагруженность узлов машины, повысить КПД передачи, ее долговечность и производительность комбайна.
Литература:
1.Горобец И.А. Результаты исследований параметров зацепления движителей БСП очистных комбайнов//Разработка месторождений полезных ископаемых:Респ.межвед.научню-техн.сб.-1991,Вып.88-С.31-36.
2.Горобец И.А. Оптимизация профиля зубьев движителей механизма перемещения очистных комбайнов.//Изв.вузов.Горный журнал.-1992-№5-С.77-81.
3.Горобец И.А. Стенд для исследований работы комбайнов с бесцепной системой подачи//Механизация горных работ на шахтах.Тула, 1990-С.47-53.
4.А.С. СССР №1604989, Е21с 29/02. Устройство для измерения усилий зацепления движителей очистных комбайнов.//Бойко Н.Г.,Горобец И.А.,Нечепаев В.Г. и др.-№4022010/03-22 .Заявлено 12.02.86. Опубл. 30.05.88.Бюл.№20-8с.
5.А.С.СССР №1604989, Е21с 29/02.Устройство для исследования параметров бесцепной системы подачи угольного комбайна./Бойко Н.Г., Горобец И.А. -№4451345/03-27.Заявлено 26.06.88.Опубл. 07.11.90.Бюл.№41- 6с.
Статья опубликована в студенческом научно-техническом журнале Инженер N2/2002.