Полный текст

Введение Важное место в комплексной механизации и автоматизации производственных процессов в горной промышленности занимают транспортирующие машины. Наряду с совершенствованием добычных, проходческих, подъемно-транспортных машин возросли требования к шахтному транспорту, входящему в общий технологический комплекс. До сегодняшнего дня основным видом транспортных средств горизонтальных выработок шахт остается локомотивная откатка, осуществляемая контактными, аккумуляторными и другими типами шахтных локомотивов. Около 70 % всего грузопотока угольных шахт и почти 90 % грузопотока на рудниках Украины приходится на локомотивную откатку. В последние годы изменение структуры средств локомотивного транспорта происходило за счет увеличения количества электровозов среднего и тяжелого сцепного веса, а также большегрузных вагонеток с кузовом вместимостью от 2,0 до 3,5 м3 для шахт угольной промышленности и от 2 до 10 м3 - в рудной промышленности. При этом в угольной промышленности средние и тяжелые электровозы составляют около 80 %, а вагонетки вместимостью свыше 2 м3 - более 40 % от их общего количества. В рудной промышленности в основном применяются тяжелые электровозы со сцепной массой 10 и 14 (28) т, а также вагонетки вышеуказанной вместимости [1]. Статическая осевая нагрузка на составные элементы путевой структуры (рельсовый путь, стрелочные переводы, съезды и т.д.) при таких изменениях возросла для локомотивов в 1,5-2,5 раза, а для подвижного состава - от двух до семи раз. Однако при столь значительном увеличении массы подвижного состава, осевых нагрузок, скорости движения и грузопотока необходимые изменения в конструкциях локомотивов не производились. Разные заводы-изготовители создают собственные модели локомотивов, не заботясь об унификации узлов. По-прежнему существуют значительные различия в механической и гидравлической частях локомотивов для горнодобывающих предприятий, хотя объяснимыми могут быть только отличия в электрооборудовании (взрывобезопасность). В этих условиях локомотивы модульной компоновки, которые состоят из нескольких секций, в рамках одного технического решения позволяют создать транспортные средства с разной сцепной массой, видом энергоснабжения, необходимыми эксплуатационными характеристиками. К тому же данная схема компоновки позволит в большей степени упорядочить объекты проектирования, установить и контролировать требования по совместимости (конструктивной, электрической, гидравлической, электромагнитной, программной и т.д.), а также взаимозаменяемости выпускаемой продукции. Сегодня в большей степени проявляется необходимость глубокого понимания специалистами в области горного машиностроения особенностей работы, характера и режима нагружения, причин выхода из строя основных звеньев, овладения современными методами их расчета. Применение при решении поставленных задач методов компьютерного прогнозирования позволяет значительно сократить трудозатраты при проектировании новых конструкций систем шахтного рельсового транспорта, избежав длительных стадий производства дорогостоящих моделей, опытных образцов и их испытаний, особенно для шахтных условий [2, 3]. Поэтому выбор структуры и параметров горной транспортной машины, основанный на детальном анализе протекающих в ее звеньях динамических процессов, должен быть неотъемлемой частью синтеза сложной энергомеханической системы и разработки ее схемы на стадии проектирования [4-9]. Цель работы - обоснование модульной компоновки и основных принципов построения семейства шахтных локомотивов с учетом закономерностей между конструктивными параметрами и тягово-тормозными характеристиками шахтных локомотивов. Материал и результаты исследований Любая компоновочная схема горной транспортной машины имеет как положительные, так и отрицательные качества, поэтому при решении проблемы повышения эффективности использования мощности задача сравнения тяговых свойств локомотивов с различными схемами и результаты указанного сравнения актуальны и имеют важное научно-практическое значение. На сегодняшний день в мировом шахтном локомотивостроении (фирмы Clayton, Ferrit) разрабатываются и активно внедряются новые тенденции компоновки и технических решений отдельных узлов и машины в целом, в том числе и модульного (секционного) построения локомотивов различного сцепного веса СBF18, CRT18, СBF21, CRT21, СBF30. Локомотивы имеют групповой привод, фрикционные поверхности выходных звеньев на некоторых из них (CRT18, CRT21) футеруются низкомодульными материалами. Всё это позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты на проведение горных выработок и повысить энергоэффективность транспортных операций. В 90-е гг. прошлого столетия на постсоветском пространстве Национальным горным университетом (Днепропетровск) и Луганским тепловозостроительным заводом также была предпринята попытка создания модульного локомотива. Изготовлена и прошла испытания опытная партия шарнирно-сочлененных кабельных электровозов Э10, предназначенных для обслуживания тупиковых выработок при проходке главных и вспомогательных выработок (рис. 1). Модульная компоновка включает две тяговые 1 и одну промежуточную 2 секции, что позволяет создавать локомотивы различной сцепной массы с разными видами энергоснабжения. Сама же тяговая секция спроектирована таким образом, что позволяет: - вписываться в кривые малого радиуса (до 15 м для рельсовой колеи шириной 900 мм), поскольку имеет жесткую базу длиной 1150 мм; - устойчиво двигаться по шахтному рельсовому пути с существенными неровностями (большие ступеньки рельсовых стыков, уширения кривизны, локальные прогибы в профиле и изгибы рельсовых нитей в плане) - за счет балансирной подвески колесных пар; - развивать высокий коэффициент сцепления колес с рельсами (до 0,21 на сухих чистых рельсах), что достигается использованием группового привода (обе колесные пары приводятся в движение одним тяговым двигателем); - иметь существенные тормозные возможности, поскольку на локомотиве установлены не только тормоза, реализующие тормозную силу в точке контакта колес с рельсами (дисковые трансмиссионные и осевые, а также колесно-колодочные тормоза), но и рельсовые. Последние состоят из магниторельсовых (тормозные башмаки которых трутся о головки рельсов под действием сил магнитного притяжения) и гравитационных (срабатывающих при опускании рамы тяговой секции за счет стравливания жидкости из гидроцилиндров подвески) в случае необходимости экстренного торможения или для стоянки поезда. Внедрение модульного принципа построения локомотивов требует соответствующего научного обоснования. Необходимо установить закономерности между конструктивными параметрами и динамическими характеристиками шахтных локомотивов. Эти закономерности могут быть установлены на соответствующих динамических и математических моделях Рис. 1. Компьютерная 3D-модель модульной (шарнирно-сочлененной) компоновки локомотива: 1 - тяговая секция; 2 - промежуточная секция 3 2 1 Рис. 2. Расчетная схема для составления уравнений движения: 1, 3 - тяговые секции; 2 - промежуточная секция с использованием современных компьютерных технологий (рис. 2). При решении задач прогнозирования динамических свойств и выбора рациональных параметров схем реализации тягово-тормозных усилий авторами применялись различные математические модели, которые в общем случае учитывали влияние трех основных взаимосвязанных подсистем: а) источник энергоснабжения - тяговый двигатель - передаточный механизм - ходовая часть локомотива; б) колесная пара - рельсовый путь при наличии геометрических, кинематических и физических несовершенств; в) тип и схема передаточного механизма, что влияет на переходные процессы в приводе. Определение области устойчивого движения локомотива, транспортирующего состав вагонеток, выполнялось решением системы дифференциальных уравнений [9]. При этом учитывался режим реализации предельных тягово-тормозных усилий в зоне фрикционного взаимодействия колесо - рельс на участке пути, имеющем переменные по величине и знаку кривизну в плане, а также продольный и поперечный уклоны. В математической модели электровоза были учтены следующие объекты: колесные пары, упругие и демпфирующие элементы подвески, колесно-колодочный тормоз, дисковые тормоза на оси колесной пары и в трансмиссии, тяговые двигатели, рельсовый путь. Многие параметры математической модели известны или поддаются определению расчетом, выполненным с помощью современных CAD-CAL-программ для созданных 3D-моделей, отображающих реальные инерционные, геометрические и кинематические параметры горной транспортной машины. Другие же, например зависимость, характеризующая взаимодействие колеса с рельсовым путем, в большинстве случаев определяются только экспериментально [10-13]. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на корректность результатов моделирования и ограничивает возможности применения методов математического моделирования на стадии создания новых шахтных локомотивов [9, 14]. Поэтому важно до проектирования установить основные закономерности изменения функции сцепления пары колесо - рельс шахтного локомотива с учетом энергетических затрат в зависимости от фрикционных свойств контактирующих звеньев [15]. На основе решения составленных систем дифференциальных уравнений исследованы колебания звеньев привода шахтного локомотива, а также характер и условия реализации тяговых и тормозных усилий. Задача сводится к проведению многовариантных расчетов многомассовой системы при изменяющихся исходных численных значениях ее параметров. Прогнозирование динамических свойств системы «экипаж - тяговый привод - путь» для шахтного локомотива может быть выполнено с помощью различных функционалов качества в зависимости от характера решаемой задачи [16]. Как известно, к основным параметрам шахтных локомотивов относят сцепную массу, силу тяги, скорость движения и коэффициент тяги, который нельзя считать независимым. Сцепная масса регламентирована типажным рядом, а сила и скорость определяются характеристикой двигателя, сцепной массой и коэффициентом тяги. Ограниченные габариты конструкции существенно уменьшают область поиска рациональных параметров звеньев и компоновочных схем шахтных локомотивов. Спроектированная и изготовленная при участии авторов базовая конструкция локомотива Э10 (рис. 3) из семейства секционных шахтных локомотивов имеет шарнирно-сочлененную схему и состоит из двух тяговых секций, соединенных промежуточной секцией, на которой установлен кабельный барабан. Рис. 3. Шахтный локомотив Э10 На промежуточной секции могут устанавливаться аккумуляторы, контактное оборудование, маховик гировоза или дизель (дизель-генератор). Тяговая секция может быть оборудована устройством контроля юза и боксования, позволяющим машинисту локомотива прикладывать к тормозным устройствам максимально большой для конкретной дорожной ситуации тормозной момент без опаски блокирования или срыва сцепления на колесах, а также останавливать шахтный поезд при экстренном торможении на установленном правилами безопасности тормозном пути. Локомотивы малой сцепной массы создаются на базе одной тяговой секции (рис. 4) как однокабинные машины, ориен- а б Рис. 4. Варианты локомотивов малой сцепной массы на базе тяговой секции шарнирно-сочлененного локомотива Э10: а - аккумуляторный; б - контактный тированные на определенный тип энергоснабжения. Такая компоновка создает предпосылки для увеличения тягово-тормозных возможностей локомотива. Это достигается за счет эффективного распределения сцепной массы на колеса, балансирной подвески, использования группового привода внутри каждой тяговой секции. Кроме того, появляется возможность установки двигателей различной мощности, уменьшения базы ходовой части, улучшения условий вписывания и др. Конструкция локомотива Э10 имеет в своем составе также множество защищенных авторскими правами технических решений, таких как: оснащение его динамическими песочницами барабанного типа, колесно-колодочными тормозами с замыканием тормозного усилия через резинометаллический шарнир, дисковыми осевыми и трансмиссионными тормозами; использование установленных вне жесткой базы локомотива секционных магниторельсовых тормозов и гравитационных рельсовых тормозов с подпружиненной тормозной колодкой. Расчетная экономическая эффективность полученных технических решений подтверждается при сравнении шахтного шарнирно-сочлененного аккумуляторного локомотива Э10 и серийно выпускаемого аккумуляторного электровоза АРВ10ГЭ примерно той же сцепной массы. Расчет произведен на примере участка внутришахтного транспорта шахты «Самарская» Западно-Донбасского угольного бассейна для продольного уклона рельсового пути 30-50 ‰ и составляет в ценах 2010 г. 514 тыс. грн. Указанная сумма экономического эффекта была подтверждена расчетами в ГОАО «Институт “Днепрогипрошахт”». Технические характеристики сравниваемых объектов приведены в таблице. Технические характеристики локомотивов для колеи 900 мм Наименование параметров Базовая техника АРВ10ГЭ-900 Новая техника Э10-900 Масса, кг 11 500 11 300 Сила тяги в часовом режиме, кН 12,3 19,2 Сила торможения, кН 9,2 25,1* * - при возможном одновременном использовании всех тормозов локомотива. Факторы экономической эффективности следующие: - сокращение аккумуляторного хозяйства; - сокращение капитальных и эксплуатационных затрат; - повышение коэффициента готовности электровоза; - повышение безопасности на уклонах 30-50 ‰. Предложенные принципы модульного построения и конструктивные решения (реализованные в опытной партии локомотивов Э10) позволили удешевить затраты на разработку и изготовление всего типоразмерного ряда шахтных локомотивов, поскольку все машины комплектуются из одной тяговой секции, снабженной типовой аппаратурой для различных видов энергоснабжения. Добавление средних секций для тяжелых локомотивов разного функционального назначения расширяет возможности использования такой техники и предоставляет эксплуатационникам дополнительные преимущества, связанные со снижением затрат на обслуживание, обучение персонала и формирование ремонтной базы горнодобывающих предприятий. Заключение На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. По результатам компьютерного моделирования и промышленных испытаний опытной партии электровозов Э10 можно сделать вывод о том, что модульное построение конструкции дает возможность создания семейства шахтных локомотивов, обладающего следующими достоинствами: - унификация конструкций локомотивов с различным энергоснабжением и различной сцепной массы; - снижение затрат на производство и эксплуатацию; - улучшенная ремонтопригодность и взаимозаменяемость; - повышение надежности и безопасности движения. 2. Главным принципом построения семейства секционных шахтных локомотивов следует считать модульность, основанную на унифицированной по механической части и тягово-тормозным механизмам тяговой секции. Дополнительные средние секции позволяют создавать тяжелые специализированные локомотивы, что дает возможность существенно снизить капитальные затраты на проектирование и производство всего типоразмерного ряда машин, а также уменьшить эксплуатационные расходы добывающих предприятий.

Об авторах

Кирилл Альбертович Зиборов

Автор, ответственный за переписку.
Email: ziborov@nmu.org.ua
49600, г. Днепропетровск, пр. К. Маркса, 19

кандидат технических наук, заведующий кафедрой основ конструирования механизмов и машин Национального горного университета

Владимир Васильевич Процив

Email: ziborov@nmu.org.ua
49600, г. Днепропетровск,пр. К. Маркса, 19

доктор технических наук, профессор кафедры основ конструирования механизмов и машин Национального горного университета

Эдуард Михайлович Шляхов

Email: ziborov@nmu.org.ua
49600, г. Днепропетровск,пр. К. Маркса, 19

кандидат технических наук, доцент кафедры основ конструирования механизмов и машин Национального горного университета

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 192

PDF (Russian) - 66

Ссылки

• Ссылки не определены.