Обоснование концептуальных вариантов при конструировании задних опорных элементов проходческого комбайна ксп-22 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© П.В. Бурков, В.Ю. Тимофеев, Л.В. Трофимова, 2010

УДК 622.232.83

П.В. Бурков, В.Ю. Тимофеев, Л.В. Трофимова

ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ЗАДНИХ ОПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА КСП-22

Предложена методика расчета запаса устойчивости комбайна на основании уточненной модели объекта расположения силы относительно ребра исполнительного органа проходческого комбайна, что позволило получить, при наложенных ограничениях, максимум производительности, повышение надежности и долговечности проходческого комбайна в условиях действия нагрузок, превышающих предельно допустимые.

Ключевые слова: проходческий комбайн, схема нагружения, опорные элементы, расчет на устойчивость.

я я роходческий комбайн КСП-22 производства ООО «Юр-

.Л.Л. гинский машиностроительный завод» предназначен для механизации проведения подготовительных горных выработок с максимальным сечением 22 м2. Комбайн КСП-22 комбинированная машина, механизирующая операции по отделению от массива полезного ископаемого или породы и погрузке его на транспортные средства при проведении подготовительных горных выработок.

Данный комбайн имеет следующие характерные особенности:

- телескопический исполнительный орган с замкнутым контуром клиновых направляющих обеспечивает возможность забури-вания режущей коронки в породу без перемещения машины;

- питателю придана функция передней опоры и в сочетании с задними опорами это обеспечивает достаточную устойчивость машины при резании пород;

- независимый привод ходовых тележек придает комбайну высокую маневренность;

- возможность установки механизма автоматического натяжения цепи скребкового конвейера для компенсации ее износа в процессе работы и провисания при повороте приводной секции конвейера.

Общий вид комбайна представлен на рис. 1. При расположении электродвигателя и редуктора исполнительного органа на са-

мой стреле реализуется раздвижность стрелы, за счет этого осуществляется зарубка коронок в массив, а не подачей всего комбайна на забой, что повышает его устойчивость в работе. Кроме того, подача комбайна на забой для выполнения следующего цикла выемки приближает переднюю кромку питателя к забою, чем обеспечивается более полная уборка отбитой горной массы. Типом ходового устройства для передвижения проходческого комбайна со стреловидным исполнительным органом является гусеничный механизм, позволяющий оперативно и быстро перестанавливать комбайн на новую позицию, а также выводить его из пройденной выработки и перегонять в новый забой.

Комбайн КСП-22 оснащен опорным устройством, которое предназначено для снятия нагрузки с ходовой части (ходовых тележек) проходческого комбайна при обработке забоя исполнительным органом. Существующая конструкция опорного устройства имеет П-образную форму, состоит из двух рычагов-опор 1, которые соединены между собой обечайкой (опорной частью) 2. Данная конструкция крепится к задней раме комбайна при помощи осей 3. В рычаги-опоры установлены гидроцилиндры 4, которые служат для подъема-опускания опоры. Рычаги и гидроцилиндры соединены осью между собой и установлены на кронштейнах задней рамы корпуса комбайна.

Принцип действия опорного устройства состоит в следующем: при выдвижении штока гидроцилиндров рычаги (опоры) опускаются и, упираясь в почву штрека, поднимают комбайн, разгружая ходовые тележки. В ходе эксплуатации данной конструкции был выявлен существенный недостаток - это малый размер опорной базы комбайна, что существенно уменьшает устойчивость самого комбайна. Кроме того, плоская опорная часть плохо приспосабливается к неровностям почвы штрека. Для этого, прежде всего, необходимо увеличить опорную базу комбайна, т.е. площадь, охватываемую опорным устройством.

При номинальных нагрузках комбайн устойчив, но так как будет производится упрощенный расчет, т.е. без учета неровности почвы и без учета наличия твердых включений, а в таких

39

условиях запас устойчивости комбайна резко падает, поэтому при максимальных нагрузках комбайн с опорой базовой конструкции не будет обладать достаточной устойчивостью. А из-за недостаточной устойчивости увеличивается вибрационная нагрузка на комбайн. Также известно, что поперечная вибрационная нагрузка передается на стыковочные узлы задних опор, что создает большие напряжения в местах сопряжения деталей (кронштейнов, осей и проушин опор) и с течением времени, как показывает практика, это ведет к увеличению люфтов, разбалтыванию конструкции, выработке металла на деталях и узлах в местах сопряжений. Поэтому важно обеспечить необходимую устойчивость комбайна при любых условиях его работы.

Для решения поставленной задачи было предложено следующее конструкторское решение: рычаги-опоры устанавливать раздельно. За счет такого расположения опорного устройства ребро опрокидывания отдаляется от центра масс комбайна. В связи с этим необходимо изменить конструкцию задней рамы комбайна, которая будет отличаться от базовой конструкции расположением кронштейнов, устанавливаемых под углом относительно друг друга. Предполагаемые преимущества заключаются в следующем: за счет повышения устойчивости комбайна снизятся ударные и вибрационные нагрузки на его узлы и детали, увеличится надежность и долговечность машины.

Как известно [1-3] наибольший опрокидывающий момент для комбайна, будет при поднятом максимально вверх (для КСП-22 на угол равен 39°) и повернутом максимально вправо или влево (для КСП-22 на угол 30°), в зависимости от направления вращения коронки, исполнительном органе. Стрела исполнительного органа, упираясь коронкой в пласт угля, начинает обратное движение к продольной оси комбайна. При этом опрокидывающий момент будет возникать от сил реакции пласта угля. Расчетная схема представлена на рис. 2.

Для расчета комбайна на устойчивость необходимо знать крутящий момент на исполнительном органе режущей коронки и боковое усилие подачи на исполнительном органе.

Из характеристик комбайна Мэл.дв=75000 Вт, ю=157 рад/с. Мэлдв =477,71 Н-м, тогда крутящий момент на исполнительном органе при КПД передачи равном 1 Мисп.орг=13,78 кН-м.

Рис. 2. Схема комбайна (вид сверху) с приложенными силами: Gк - сила тяжести комбайна, приложенная к центру его масс ^к=23,2 т), Gстp - сила тяжести стрелы исполнительного органа, приложенная к ее центру масс ^стр=5,2 т); Fp -сила реакции пласта угля, равная боковому усилию подачи исполнительного органа Fисп.оpг и противоположная по направлению; Мр - момент реакции пластов угля, равный крутящему моменту сил резания Миспорг. и противоположный по направлению; АВ - ребро опрокидывания, оно проходить через крайние точки упора в землю питателя и задних опор, м

Исполнительный орган комбайна представлен на (рис. 3). Два цилиндра Ц служат для поворота стрелы вокруг оси Оі. В нашем случае необходимо определить боковое усилие подачи на исполнительном органе, для этого определим силу, с которой гидроцилиндр Ц давит на ось О, разворачивая при этом поворотную станину исполнительного органа вокруг оси Оі.

Сила, с которой шток выдвигается из гидроцилиндра составляет Fц=281,3 кН (исходя из характеристик гидроцилиндра). Сила Fц раскладывается на две составляющие это силу Fl - это касательная сила, приложенная к оси О с центром вращения в точке Оі, и силу F2 - это сила, направленная по линии (радиусу), соединяющую центры О и Оі. Для расчета вращающего момента, создаваемого силой Fц, будем учитывать только силу Fl, так как сила F2 момента не создает, Fl составляет 271,7 кН. Вращающий момент М^, создаваемый силой Fl - М^=168,5 кН.

Зная момент М^, вращающий стрелу исполнительного органа, определяем силу Fисп.оpг., создаваемую этим моментом на

Рис. 3. Схема исполнительного органа с приложенными силами

[=3755 мм

Рис. 4. Схема комбайна

режущей коронке исполнительного органа, L - проекция на горизонт расстояния (плеча) оси Оі до режущей коронки, L=3,755 м. Расчетное значение Fисп.оpг=44,87 кН.

Для определения количественных параметров усовершенствования сравним запасы устойчивости проходческого комбайна с опорой базовой конструкции и с опорами предлагаемой конструкции.

Коэффициент устойчивости комбайна [3] определяется как отношение момента удерживающих сил к моменту опрокидывающих сил:

М

ку = —1 (1)

опр.

где Муд. - момент удерживающих сил, кН-м; Мопр. - момент опрокидывающих сил, кН-м.

В качестве исходных данных для расчета принимаем все параметры комбайна, в том числе размеры, координаты центров тяжести, а также силы и моменты, действующие на комбайн: стрела исполнительного органа поднята на 39° вверх и повернута на 30° в сторону, вес комбайна Gк=23,2 т; вес стрелы Gстp=5,2 т; Fиcп.opг=44,87 кН; Миспорг=13,78 кН-м. Размеры комбайна с опорой базовой конструкции и с опорами предлагаемой конструкции, координаты центров тяжести, проекции плеч сил и моментов изображены на рис. 5-9.

Расчет запаса устойчивости проходческого комбайна с опорой базовой (П-образной) конструкции показал что силами, удерживающими комбайн от опрокидывания, в рассматриваемом случае являются силы тяжести стрелы и корпуса, создающие относительно ребра АВ удерживающий момент, уравнение равновесия для которых:

Муд. = ^ • 1 + GcIp • І1 (2)

Момент удерживающих сил равен Муд=282,7 кН-м. Силами, опрокидывающими комбайн относительно ребра АВ, в рассматриваемом случае являются момент реакции пласта угля от сил резания, действующих на режущую коронку и сила реакции пласта угля от бокового усилия подачи исполнительного органа.

Уравнение равновесия для определения опрокидывающего момента:

Мопр = МрАВ + FpАв • Н (3)

где МрАВ - проекция реакции пластов угля от вектор-момента сил резания в режущей коронке на ребро АВ, МрАВ равна проекции Миспорг. на ребро АВ и противоположна по направлению; FpАв -проекция реакции пласта угля от бокового усилия подачи исполнительного органа на ребро АВ, FpАВ равна проекции FиCп.opг. на ребро АВ и противоположна по направлению; Н - плечо силы FPAв относительно ребра АВ (подошвы выработки), Н=3,884 м (рис. 5).

Рис. 5. Схема комбайна с опорой базовой конструкции

В данном случае FрАв•Н будет моментом силы FрАв относительно ребра АВ (опрокидывающий момент от бокового усилия подачи исполнительного органа).

Момент силы FрАВ определим из выражения:

РрАВ = Рисор,- ^(30° - 70)

Где 7° - это угол ребра опрокидывания АВ относительно продольной оси комбайна (рис. 6). Численное значение РрАВ=41,33 кН, а Мопр=162,7 кН-м.

Вектор-момент сил резания направлен перпендикулярно оси стрелы.

Проекция вектор-момента сил резания на ребро АВ будет равна (рис. 7):

МрАВ = М.- сс839° - со8(30° - 7°)

рАВ исп.орг

Рис. 6. Схема расположения вектор-момента сил резания МрАВ при повернутом положении стрелы исполнительного органа

Рис. 7. Сема расположения вектор-момента сил резания при поднятом положении стрелы

По формуле (3) определяем суммарный опрокидывающий момент Мопр=172,59 кН-м. Отсюда определяем коэффициент устойчивости комбайна по формуле (1):

Ку = І827. = 1,638 У 172,59

Таким образом, коэффициент запаса устойчивости проходческого комбайна КСП-22 с опорой базовой конструкции получился равным 1,638.

Определим запас устойчивости проходческого комбайна с опорами предлагаемой конструкции. Силы, удерживающие комбайн от опрокидывания, определяем по формуле (2), численное

значение равно Муд=319,3 кН-м, конструктивно расстояния равны:

1=1,262 м, 1і=0,51 м (рис. 8).

Рис. 8. Схема комбайна с опорами предлагаемой конструкции

Момент силы БРАВ по формуле:

БАВ = Б - соз(30° - 5°)

рАВ исп.орг. ^ /

где угол 5° - это угол ребра опрокидывания АВ относительно продольной оси комбайна (рис. 9), численно равен БрАВ=40,62 кН. Момент силы БрАВ относительно ребра АВ равен 157,76 кН-м.

Величина проекции вектора-момента сил резания МрАВ в режущей коронке на ребро АВ равна:

МрАВ = Миспорг. - со*39° - сс8(30° - 5°) = 9,7 кН - м

Суммарный опрокидывающий момент определяем по формуле (3), Мопр=167,46 кН-м. Отсюда определяем коэффициент устойчивости:

- создана уточненная модель объекта расположения силы относительно ребра исполнительного органа;

- сформирована модель забоя, позволившая составить структурную схему всей системы во взаимосвязи контуров скорости подачи и привода резания;

- выполненные исследования подтвердили соответствие созданной системы поставленным задачам;

- запас устойчивости проходческого комбайна с опорами предлагаемой конструкции больше, чем запас устойчивости комбайна с опорой базовой конструкции на 0,269, что позволило получить при наложенных ограничениях максимум производительности, повышение надежности и долговечности проходческого комбайна в условиях действия нагрузок, превышающих предельно допустимые.

25°

\

Рис. 9. Схема расположения силы FрАВ относительно ребра АВ

Выводы

- предложенная методика расчет устойчивости комбайна возможна для расчета устойчивости для других моделей и модификаций.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горные машины и комплексы. Топчиев А.В. и др., изд-во «Недра», 1971. 560 стр.

2. Создание тяжелых проходческих комбайнов. // О.Н. Андрюнькин, Ю.А. Дмитрак, П.К. Дундуа, Г.А. Мартыненкова. «Горное оборудование и электромеханика». - 2006. - №3. С. 10-11.

3. Машины и оборудование для шахт и рудников: Справочник С.Х. Клорикь-

ян, В.В. Старичнев, М.А. Сребный и др. - 7-е изд., репринтн., с матриц 5-го изд. (1994 г.). - М. - Издательство Московского государственного горного университета, 2002 - 471 с. ЕШ ' '

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Бурков П.В. - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой горношахтного оборудовагия, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, г. Юрга,.

Тимофеев В.Ю. - механик кафедры ГШО, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета,

Трофимова Л.В. - студент кафедры ГШО, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета.