Н. Б. Афонина, А. В. Отроков, П. Р. Воронов
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного политехнического университета
(Новочеркасского политехнического института) им. М. И. Платова,
г. Шахты, Россия, oav-71@mail.ru
В мировом и отечественном комбайностроении, в последнее время, широкое распространение находят погрузочные органы, выполненные в виде двух вращающихся звезд (рис. 1) и отличающиеся простотой конструкции, повышенной ремонтопригодностью и надежностью.
Рис. 1. Проходческие комбайны с погрузочными органами в виде звезд
В то же время погрузочные органы с нагребающими звездами недостаточно изучены /1/. Математические модели, описывающие процесс погрузки материала погрузочным органом с нагребающими лапами, не учитывают особенностей формирования штабеля горной массы нагребающими звездами — в первую очередь существенно отличную траекторию движения и геометрию нагребающих элементов. Отсутствует методика определения параметров погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами.
Для исследования таких погрузочных органов в Шахтинском институте (филиале) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова создана универсальная экспериментальная модельная установка (рис. 2), позволяющая выполнять исследования погрузочных органов погрузочных машин и проходческих комбайнов избирательного действия с различными рабочими элементами: нагребающими лапами (традиционными и клиновыми), звездами различной конфигурации.
Модельная экспериментальная установка спроектирована на основе изучения множества конструкций погрузочных машин с нагребающими лапами и проходческих комбайнов с погрузочными органами с нагребающими звездами как отечественного так и зарубежного комбайностроения с использованием теория подобия и размерностей.
Критерии подобия установлены методом анализа размерностей. Главные из них:
1) безразмерные величины: - угол естественного откоса; - угол внутреннего трения материала; - угол установки питателя погрузочного органа; - углы, характеризующие геометрию звёзд (лучей); и некоторые другие;
2) безразмерные соотношения, характеризующие линейные размеры:
 ;  ;  ;  ;  ,
где Вз — ширина захвата питателя, м;
Sl — глубина внедрения луча, м;
rl — радиус центральной втулки нагребающей звезды, м;
dsr — средняя крупность материала, м;
dmax — максимальная крупность материала, м;
Hsh — высота штабеля, м;
Спроектированная эспериментальная установка имеет следующие характеристики:
- количество нагребающих элементов 2 звезды
- количество лучей, устанавливаемых на звезду 1, 2, 3, 4, 6, 8 шт
- конфигурация лучей нагребающих звезд прямые из центра;
прямые по касательной; изогнутые из центра
- высота лучей нагребающих звезд, м 0,02; 0,04; 0,06
- угол установки питателя, град 18; 33
- скорость вращения приводных дисков, об/мин 33; 45
- привод нагребающих лап/звезд электрический мотор-редуктор
- напряжение питания установки, В 380
- синхронизация вращения приводных дисков присутствует
- привод нагребающих лап и звезд цепная передача
- привод подачи рабочего органа на штабель гидравлический
- масштаб экспериментальной установки 1:3,5
Нагребающий луч
Плита
питателя
Нагребающая звезда
Мотор-редуктор
Разгрузочное окно
Штабель горной массы
Рис. 2. Модель погрузочного органа
Экспериментальная установка оснащается измерительными устройствами для измерения: - массы погруженной горной массы; - количественной фиксации профиля штабеля и его изменения; - фото- и видеофиксации процесса погрузки горной массы; - измерения угла поворота нагребающей звезды; - тока и напряжения электродвигателя; - напряжений, возникающих в луче нагребающей звезды.
Для измерений используется крейтовая система LTR-U-8-1 производства Российской фирмы ООО «Л Кард», представляющая собой универсальный цифровой измерительный комплекс, со специализированными модулями для сбора данных со специализированных преобразователей (датчиков).
Выбор факторов (табл.1), влияющих на процесс погрузки и пределов их изменения производятся на основе изучения условий эксплуатации проходческих комбайнов. Выявленные факторы /2/ условно делятся на внутренние (конструктивные, кинематические, силовые) и внешние (свойства штабеля, параметры разрушающего органа). Эти группы факторов влияют на формирование активного объема черпания, а, значит, на производительность и энергоемкость процесса погрузки горной массы.
Таблица 1 - Пределы изменения факторов
№ п/п
|
Наименование фактора
|
Обозна-чение
|
Ед. изм.
|
Исследуемые значения
|
I
|
Параметры штабеля горной массы
|
1
|
Средняя крупность материала
|
dср
|
м
|
0,088 (модель: 0,025)
|
2
|
Высота штабеля
|
Hшт
|
м
|
1,0 (модель: 0,3)
|
II
|
Конструктивные параметры погрузочного органа с нагребающими звездами
|
3
|
Частота вращения звезд
|
nзв
|
об/мин
|
15; 24
|
4
|
Количество лучей на звездах
|
nл
|
шт.
|
1; 4; 6
|
5
|
Угол установки лучей
|
|
градусы
|
0; -90
|
6
|
Высота лучей звезд
|
hл
|
м
|
0,07; 0,14; (модель: 0,02; 0,04)
|
7
|
Угол наклона питателя
|
|
град.
|
20
|
Экспериментальная установка оснащена датчиками для измерения следующих величин:
1. Величина крутящего момента на валу звезды. Для измерения используется датчик крутящего момента, состоящий из тензометрического полумоста, закрепленного на луче звезды, ответный полумост находится в тензометрическом модуле LTR212 крейтовой системы. Провод от датчика выводится вверх к тензометрическому модулю LTR212 крейтовой системы. Для калибровки датчика крутящего момента звезда с установленным измерительным лучом с наклеенными тензорезисторами фиксируется неподвижно на погрузочном органе, к краю луча прикладывается усилие, измеряемое с помощью динамометра, для создания крутящего момента.
2. Угол поворота звезды. Для измерения используется оптический энкодер, закрепленный под плитой на ведомой звездочке цепной передачи. Диапазон измерений — 0-360º, точность измерения — ± 0,1º. Калибровка датчика осуществляется путем поворота ведущего диска на заданный угол, измеренный транспортиром и подсчетом сигналов с энкодера. Датчик угла поворота (оптический энкодер) подключается к субмодулю H-27U-10, установленного в модуле LTR27 крейтовой системы.
3. Мгновенную производительность погрузки. Измерение осуществляется датчиком, состоящим из металлического стержня с наклеенными на него тензорезисторами, ответный полумост находится в тензометрическом модуле LTR212 крейтовой системы. Калибровка датчика веса осуществляется разными грузами известной массы. Массы грузов определяются при помощи весов рычажных.
Крейтовая система записывает данные с датчиков в файл стандартного формата «csv» с разделителями. Данные из такого файла удобно анализировать с помощью специализированного языка обработки статистических данных GNU R.
Для фиксации профиля штабеля используется профилометр, представляющий собой раму с закрепленной на ней металлической сеткой с ячейками 50х50 мм и расположенной на известной высоте над столом со штабелем. Профиль штабеля фиксируется в нескольких точках для чего с помощью лазерной рулетки с погрешностью измерения ±1 мм измеряется расстояние от профилометра до штабеля. Количество точек для измерения подбирается опытным путем, обеспечивая для данной крупности и насыпной плотности материала штабеля соответствие погруженной массы и изменения объема штабеля. Исходя из калибровочных экспериментов на материале со средней крупностью 15 мм и насыпной плотностью 1400 кг/м3 при измерении профиля штабеля в 30-ти точках (для одной звезды) погрешность определения объема выгруженного материала не превышает 10%.
Для получения максимально полной информации об объекте исследования, так как количество исследуемых факторов невелико (три на двух уровнях и один на трех), был выбран полнофакторный эксперимент. Составлен план проведения 24-х опытов с различным сочетанием значений факторов. Для достижения доверительной вероятности 0,85 в определении средних значений каждый опыт повторялся минимум 5 раз.
Опыты проводились в следующей последовательности:
1. На звезду устанавливается необходимое количество прямых (установленных радиально) лучей средней высоты: один, два, четыре, шесть. Затем, для оценки влияния формы звезды устанавливается четыре луча прямых по касательной, а затем, четыре луча изогнутых из центра.
2. Насыпается штабель так, чтобы его передняя кромка доходила до втулки нагребающей звезды. Измеряется угол откоса штабеля.
3. Устанавливается видеозаписывающая аппаратура — одна видеокамера фиксирует процесс сверху со стороны модели погрузочного органа, а вторая видеокамера — справа-сверху от погрузочного органа. Под приемным окном питателя устанавливается емкость для погружаемого звездами груза. Количество оборотов звезды оценивается визуально.
4. Включаются нагребающие звезды и совершают несколько оборотов (от 4 для многолучевой звезды до 15 для однолучевой звезды) до полного обнажения питателя погрузочного органа, при этом проводится компьютерная фиксация угла поворота нагребающей звезды, усилий в измерительном луче, веса погруженного материала и тока электродвигателя.
5. Оценивается состояние штабеля (измеряется угол откоса, фиксируется форма штабеля).
6. Изменяется количество лучей на звездах и повторяются п.п.2-5.
Обработка результатов замеров стендовых испытаний выполнена методами математической статистики. В этих целях по каждой группе опытов, выполненных в аналогичных условиях, было рассчитано среднее значение, среднеквадратичное отклонение и ошибка в определении среднего значения с помощью критерия Стьюдента.
В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости, которые позволяют уточнить характер взаимодействия нагребающих звезд с погружаемым материалом и разработать математические модели. Последние станут основой инженерной методики выбора рациональных погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами.
Литература
1. Хазанович Г.Ш., Афонина Н.Б. К вопросу об исследовании современных комбайнов для строительства горных выработок /Материалы I Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика». Том первый. Естественные и технические науки. г.Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. - С.561-564.
2. Отроков А.В., Афонина Н.Б. К разработке методики исследования погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами /Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - №2 – С.25-30.
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА ВЕЛИЧИН ЗАЗОРОВ В СОПРЯЖЕНИЯХ КЛАПАНА С КОРПУСОМ И С СЕДЛОМ В ГЕРМЕТИЗИРУЕМОЙ КЛАПАННО-СЕДЕЛЬНОЙ ПАРЕ «КОНУС-ОСТРАЯ КРОМКА»
Дудин М. П., Брума Е. В.,
Мулюкин О. П., Борзенков М. И.
Самарский государственный университет путей сообщения,
г. Самара;
Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс, г. Орел
Анализ отказов и неисправностей клапанно-седельной пневмогидроарматуры транспортной техники показывает, что основными факторами, влияющими на ее быстродействие, герметизирующую способность и ресурс, являются конструктивные, эксплуатационные и технологические, - таблица 1 [1-3].
Наиболее опасными отказами агрегатов являются отказы, вызванные разрушением деталей агрегатов или их элементов.
Причины разрушений могут быть различными: недостаточный запас прочности, недостаточная коррозионная стойкость, приложение нерасчетных нагрузок, недостаточная усталостная прочность, производственно-технологические дефекты, температурные расширения, концентраторы напряжений в конструкции деталей, монтажные напряжения при установке изделий на объекте, образование льда в агрегатах вследствие попадания внутрь влаги, пульсации гидрожидкости и др.
В ряде случаев, в конструкторско-технологической и эксплуатационной документации вынужденно расширен разбег пределов эксплуатационных характеристик клапанно-седельных пневмогидроагрегатов из-за возможного изменения зазора в сопряжении по месту центрирования клапана в корпусе или зазора по месту посадки клапана на седло в результате температурного воздействия рабочей или окружающей сред, износа сопрягаемых поверхностей элементов клапанно-седельнойпары или вследствии проведения предусмотренных у потребителя пневмогидроарматуры регламентируемых подрегулировок хода исполнительных органов, а также в силу проявления ряда деструктивных факторов (явления схватывания и адгезии в элементах сопряжений; проникновение в рабочие тракты агрегата инородных частиц и конденсата и т.п.) [1]. В работах [2-4] также отмечается негативное влияние сверхнормативной величины зазора в сопряжении направляющих поверхностей клапана и корпуса на эксплуатационные характеристики (быстродействие срабатывания, герметизирующая способность и ресурс уплотнителя клапанно-седельной пары) пневмогидроагрегатов, значительная часть которых содержит клапанно-седельную пару «конус острая кромка».
Для клапанно-седельных пар данного типа, в общем случае, назначение величины зазора между конусом клапана и острой кромкой седла производят с учетом следующих пяти факторов4 из которых первые три деструктивные:
- неперпендикулярность плоскости седла к оси отверстия седла, по которому центрируется (самоустанавливается) клапан;
- некруглости седла и конуса;
- перекоса геометрических осей клапана и седла;
- эксцентриситета геометрических осей отверстия седла и клапана 4;
- изменения физико-механических свойств материалов седла и клапана при варьировании в эксплуатации численных показателей климатических (температурных) и механических воздействий на элементы клапанно-седельных пар, приводящих к изменению геометрических размеров последних;
- влияние силы поверхностного натяжения жидкости в поверхности по зазору клапана с седлом;
- влияние смятия острой кромки;
- влияние метода обработки элементов запорной пары.
Таблица 1 – Основные конструктивные, эксплуатационные и технологические факторы, определяющие быстродействие, герметизирующую способность клапанно-седельных пар пневмогидроарматуры транспортной техники
Конструктивные факторы
|
Эксплуатационные факторы
|
Технологические факторы
|
Физико-меха-нические свойства контактирующих по-верхностей, включая срок старения мате-риалов, температур-ные деформации по-лимерных и метал-лических клапанных устройств в процессе их работы.
Величина и стабильность усилия герметизации в зоне уплотнения, создава-емого задатчиком нагрузки (пружиной, приводом).
Качество дина-мических процессов на основных и переходных режимах (устойчивость, ско-рость посадки клапана на седло, стабильность сил вязкого трения в эксплуатации и др.);
Выбор запасов прочности элементов с учетом всех воз-можных нагрузок и динамических воз-действий.
|
Вид и состо-яние рабочей и окружающей сред, характер изменения их параметров в эксплуатации.
Тип и характер воздействующих фак-торов (внешних – механические, климатические и внутренних – воздействие рабочей среды, режим работы) в процессе эксплу-атации, включая эта-пы хранения и транспортировки.
Вид и степень проявления корро-зионных и адгези-онных процессов, явлений схватывания (залипания), эрозии и облитерации в золот-никовых и плун-жерных парах кла-панных устройств.
|
Степень точ-ности центрирования сопрягаемых элемен-тов, соосность центри-рования клапана отно-сительно седла, нали-чие и величину переко-са осей контакти-руемых поверхностей элементов клапанных устройств и подвиж-ных соединений.
Качество обра-ботки и точность выполнения контак-тирующих и сопря-гаемых поверхностей, степень отклонения их от заданной формы и др.
Степень соот-ветствия условиям эксплуатации методов и средств производст-венного контроля статических и ди-намических характери-стик агрегата.
|
Ниже представлены расчетно-графические оценки степени влияния на величину зазора между конусом и острой кромкой седла как неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла, так и некруглости отверстия седла. Какв первом, так и во втором случае форма отверстия в седле рассматривалась в виде эллипса с больней «а» и малой «b» осями, то есть очерка сечения цилиндрической поверхности диаметром «d» плоскостью, неперпендикулярной ее оси (рисунок 1), для которого справедливо:
 (1)
где  - величина эллипсности отверстия в седле.
Рисунок 1 – Эллипсность отверстия седла
диаметром d в координатах «x, y» |
