Выбор параметров зубчато-реечных передач для шахтных электровозов

УДК 621.01.001.02

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ЗУБЧАТО-РЕЕЧНЫХ ПЕРЕДАЧ ДЛЯ ШАХТНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Л.В. Лукиенко, В.В. Исаев

В работе предложено использовать зубчато-реечные передачи для расширения области применения шахтных электровозов, что позволит эксплуатировать электровозы в выработках с большим углом падения. Описана конструкция предлагаемого технического решения и представлены результаты анализа нагруженности тягового органа.

Ключевые слова: шахтные электровозы, зубчато-реечные передачи, нагру-женность тягового органа.

Шахтный электровоз - является одним из основных видов транспорта осуществляющего процесс перевозки полезных ископаемых от забоев по подземным выработкам к стволу шахты и далее к пункту погрузки в железнодорожные вагоны.

В связи с тем, что на шахте работает, как правило, не один, а несколько очистных и подготовительных забоев одновременно подземный транспорт характеризуется большой разветвлённостью путей, а также тем, что рабочее расстояние, по которым осуществляются перевозки, составляет от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров.

Пути рудничного транспорта в соответствии с неравномерностью залегания пласта полезного ископаемого имеют сложную конфигурацию, с чередованием горизонтальных и наклонных участков. При этом угол подъёма выработки не может превышать 9 градусов из-за необходимости преодоления силы трения.

Отличием шахтных электровозов от транспорта других отраслей промышленности, является работа в стеснённых горных выработках небольшого сечения. Это предъявляет к конструкции подземного транспорта особенные требования и в значительной степени усложняет эксплуатацию: высокая степень безопасности, меньшая стоимость эксплуатации, трудоёмкость - наиболее важные требования, которые предъявляются к рудничному транспорту на сегодняшний день.

Расширения области применения шахтных электровозов можно добиться за счёт использования зубчато-реечных передач в приводе, что позволит значительно поднять допустимый угол подъёма выработки. С этой целью на выходном валу двухступенчатого, коническо-цилиндрического редуктора дополнительно должно быть установлено зубчатое колесо, которое обкатывается по зубчатой рейке, установленной по оси симметрии рельсового пути. Причём линейная скорость точек колеса, взаимодействующих с рейкой по делительному диаметру должна быть равна линейной

скорости точек колеса, обкатывающегося по рельсу. Для обеспечения постоянства межосевого расстояния в паре колесо-рейка на рейке выполнены продольные пазы, по которым обкатываются опоры качения конструктивно увязанные с приводным редуктором.

Анализ применения зубчато-реечных передач [1] показал, что распространено большое количество конструктивных вариантов реек. В результате проведенных аналитических исследований [2, 3, 4] показано, что зубчатые рейки (рис. 1), в силу особенностей своей геометрии более перспективны по сравнению с цевочными (рис. 2). Кроме того, все они очень технологичны с точки зрения изготовления.

Рис. 1. Конструктивный вариант зубчатой рейки

Рис. 2. Конструктивный вариант цевочной рейки

Применение зубчато-реечных передач для работы в сложных условиях при значительных нагрузках, имеющих динамический характер, позволяет создавать конкурентоспособные компактные высоконадёжные механизмы подачи технологических машин. Ввиду сложного характера нагружения, ранее для определения их рациональных параметров применялись экспериментальные методы, определявшие значительные материальные, временные и трудовые затраты.

В условиях рыночной экономики целесообразно использовать менее затратные способы и средства решения задачи по определению рациональных параметров зубчато-реечных механизмов подачи с учётом тяжелого характера нагружения.

Одно из направлений решения таких задач - применение современных методов исследования, требующих значительных ресурсов ЭВМ. Проведённый анализ существующих программ (LabView, SIMULIA Abaqus, Ansys, Nastran) показал, что отечественная система APM WinMachine -CAD/CAE система автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций в области машиностроения, разработанная с учетом последних достижений в вычислительной математике, области численных методов и программирования, а также теоретических и экспериментальных инженерных решений в наибольшей степени отвечает решению поставленных задач с учётом критерия стоимость/возможности.

С целью определения наиболее рациональных параметров проектируемых передач по соотношению габаритных и прочностных показателей при помощи пакета прикладных программ APM WinMachine 9.7 была разработана твердотельная расчётная модель зубчатой рейки (рис. 3) (материал - сталь 45Х, шаг зацепления 138 мм, тангенциальная составляющая усилия на приводном зубчатом колесе - 250 кн) шириной 70 мм, в основе которой лежит четырёхугольный тетраэдр со стороной 7 мм. Её исследования проведены с использованием метода конечных элементов (рис. 4).

Рис. 3. Твердотельная модель зубчатой рейки

Анализ распределения эквивалентных напряжений показывает достаточность выбранных геометрических параметров. Однако, для окончательного выбора геометрических параметров рейки необходимо проведение достаточно большого количества исследований с оптимизацией ре-

зультатов по критериям минимизации изнашивания и скольжения.

По результатам расчёта перемещений по оси х (рис. 5) определена изгибная жёсткость рейки: Q=F/Sx=250000/0.00104=240384.6 кН/мм.

Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений в зубчатой рейке

шшшш

Рис. 5. Перемещение элементов рейки в результате действия тангенциальной составляющей усилия в зацеплении колесо - рейка

В результате проведённых исследований предложена конструктивная схема, которая позволит значительно расширить область применения шахтных электровозов.

Список литературы

1. Бойко Н.Г. Динамика очистных комбайнов. Донецк: Изд-во ДНТУ, 2004. 206 с.

2. Смирнов С.Н. Разработка методов исследования и проектирования зубчато-реечных систем подачи, обеспечивающих повышение эффективности очистных комбайнов: дис. ... докт. техн. наук. Тула, 1991. 572 с.

3. Силовые зубчатые трансмиссии угольных комбайнов. Теория и проектирование / П.Г. Сидоров [и др.]. М.: Машиностроение, 1995. 296 с.

4. Стационарные и тормозные режимы работы бесцепных систем перемещения очистных комбайнов / В.А. Бреннер [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 220 с.

Лукиенко Леонид Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, lukienko lvaimail ru, Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Исаев Владимир Владимирович, асп., Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева

CHOICE OF PARAMETERS OF GEAR AND RACK SYSTEMS FOR MINE ELECTRIC LOCOMOTIVES

L. V. Lukienko, V. V. Isayev

In this work it is offered to use gear and rack systems for development of a area of mine electric locomotives that will allow to operate ones in minings in the inclined seams. The design of a proposed technical solution is described and results of the analysis of stress loading of rack are presented.

Key words: mine electric locomotives, gear and rack systems, loading of traction

rack.

Lukienko Leonid Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, lukienko lvaimail ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of D.I.Mendeleyev,

Isayev Vladimir Vladimirovich, postgraduate, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of D.I.Mendeleyev