CC BY
25
УДК 622.002.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА С ГИДРОПРИВОДОМ
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук,
Я.Г. Рыльцева*
Юргинский технологический институт (филиал) ТПУ* Институт угля СО РАН, г. Кемерово E-mail: [email protected]
Рассмотрены полученные аналитические выражения для определения развиваемого трансмиссией геохода вращающего момента, а также определено влияние на силовые параметры трансмиссии её функционально-конструктивных особенностей и геометрических параметров геохода.
Ключевые слова:
Геоход, трансмиссия, вращающий момент, гидроцилиндр.
При разработке новых конструктивных решений трансмиссий особый интерес представляют развиваемые силовые и кинематические параметры. Одним из направлений развития компоновочных и конструктивных решений трансмиссии геоходов, реализующих непрерывный режим работы, является использование в трансмиссии гидропривода с гидроцилиндрами, работающими в разных фазах [1, 2].
Для определения конструктивных и силовых параметров трансмиссии геохода необходимо рассмотреть влияние пространственно-компоновочного расположения гидроцилиндров вращения на основной параметр -развиваемый трансмиссией вращающий момент Мер.
В качестве расчетной принята схема (рис. 1) расположения гидроцилиндров внутри секций по хордам в одной плоскости, перпендикулярной оси секций геохода. При этом корпус гидроцилиндра закреплен шарнирно на хвостовой (неподвижной) секции, а шток гидроцилиндра соединен с механизмом свободного хода, передающим вращение на головную секцию. Данная схема расположения является кулисным механизмом и служит для преобразования поступательного движения штоков гидроцилиндров во вращательное движение головной секции. При выдвижении штоков будет наблюдаться изменение пространственного положения гидроцилиндров относительно секций.
Вращающий момент MBPi, развиваемый одним гидроцилиндром, определяется выражением (рис. 1)
МВРг = Fi ■ hrn, (1)
Аксенов Владимир Валерьевич, д-р техн. наук, профессор кафедры горношахтного оборудования Юргинского технологического института (филиала) ТПУ, г. Юрга, зав. лабораторией угольной геотехники Института угля СО РАН, г. Кемерово.
E-mail:
[email protected] Область научных интересов: геотехнология, горные машины. Ефременков Андрей Борисович, канд. техн. наук, доцент кафедры Горношахтного оборудования Юргинского технологического института (филиала) ТПУ, г. Юрга, науч. сотр. лаборатории угольной геотехники Института угля СО РАН, г. Кемерово.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: геотехнология, горные машины. Блащук Михаил Юрьевич, ст. преподаватель кафедры Горношахтного оборудования Юргинского технологического института (филиала) ТПУ, г. Юрга, мл. науч. сотр. лаборатории угольной геотехники Института угля СО РАН, г. Кемерово.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: геотехнология, горные машины. Рыльцева Яна Геннадьевна, студент Юргинского технологического института (филиала) ТПУ, г. Юрга.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: геотехнология, горные машины.
где ^ - усилие на штоке і -го гидроцилиндра, Н; НГЦІ - плечо приложения силы і -го гидроцилиндра, м.
Усилие на штоке гидроцилиндра ^ при условии подачи жидкости в поршневую полость
¥і = $и • Ртр , (2)
„ Л- Оп 2 2
где ^ - площадь поршня гидроцилиндра, м ; и - диаметр поршня гидроцилиндра, м;
рТР
4
- давление, подводимое в поршневую полость гидроцилиндра, Па.
Рис. 1. Расчетная схема к определению вращающего момента
Плечо кГщ определяется из конструктивных размеров геохода. Для расчетной схемы (рис. 1) в произвольном положении штока гидроцилиндра плечо кГщ будет определяться как
*, (3)
и иУСТ .ШТ
ПГЦІ = 0
где и
^ - диаметр окружности вращения цапфы (установки цапфы) штока на головной секции, м;
а - угол между направлением действия силы на штоке гидроцилиндра и линией, проведенной через центр вращения О и точку В на цапфе штока.
По «теореме косинусов» из треугольника ОАВ
cos а = -
Оуоиш Ї2 + (¿0 + ^)2 _Г °^Ц"
2
и
(4)
(¿0 + 3)
где ОУСТ Гц - диаметр окружности установки цапф корпусов гидроцилиндров на обечайке хвостовой секции, м (фиксированное значение, определяемое конструктивно); (Ь0 + 3) - расстояние между осью цапфы корпуса гидроцилиндра А и осью цапфы штока в произвольном положении, м; Х0 - расстояние между цапфами корпуса и штока гидроцилиндра в сложенном состоянии (при минимальной раздвижности), м; 3 - текущая величина выдвижения штока гидроцилиндра, м.
После подстановки выражения (4) в (3) получим выражение (5)
г (
и DyCT .ШТ
ПГЦі — -
Вустшт1 + (z0 +sf -( °УСТГЦ
DyCT.ШТ (L0 +
2 ''Л
(5)
^/ D У Г D I
иУСТ.ШТ I , /т , г\2 гтт
Выразив arccos
2 Л
+ (Lo +S)2 -
DyСТ. ШТ (Lo + ^)
через arcsin, в соответствии с [3]
arccos
А
УСТШТ 1 + (l +sf -1 УСТГЦ
DyСТ.ШТ (Lo +^)
2 А
1 -
+ (L0 +^)2 -
22
иУСТ.ШТ (¿0 + 3)
После преобразования с учетом 8Іп(агс8Іп а) = а [3] получим выражение (6)
и _ DyСТ .ШТ ПГЩ — -
1 -
^'D 12 (D л2^
j + (Lo +£)2 -^
DyСТ.ШТ (Lo +^)
(6)
После подстановки выражений (6) и (2) в (1) получим выражение для определения момента, развиваемого одним гидроцилиндром
M ВРі Ртр * АУСТ.ШТ
л-D„
• I Л___________________• -
( Dv,
УСТ .ШТ
I 2
+ (L0 +^)2
2 І АУСТ.ГЦ
22
АУСТ.ШТ (L0 +^)
(7)
Возможен конструктивный вариант, когда цапфы штока корпуса гидроцилиндра размещаются на одной окружности, т. е. -0Уст шт = -Оуст щ = . В этом случае выражение (7) примет вид
МВР1 — рТР - АГЦ "
л- Dn
(¿о +^)2
1 -
D
(8)
ГЦ
Из выражений (7) и (8) следует, что по мере выдвижения штока гидроцилиндра расстояние ¿0 будет увеличиваться на величину 3, Соответственно, расстояние между опорами гидроцилиндра со штоком составит ¿0 + 3, а плечо НГЦІ силы, реализующей вращающий момент на головной секции, будет изменяться, соответственно, будет изменяться и вращающий момент Мврг Величина изменения плеча силы ЬЩІ, и соответственно, развиваемого момента МВРІ, будет зависеть от геометрических параметров расстановки опор гидроцилиндров -иУст шт, иусг гц, Огц , а также конструктивных размеров гидроцилиндров - ¿0, Ьр, и длины
хода штока - ¿ .
Таким образом, при выдвижении штока гидроцилиндра, развиваемый вращающий момент М будет носить переменный характер.
В компоновочных схемах, где гидроцилиндры работают в разных фазах, в каждой момент времени штоки гидроцилиндров будут выдвинуты на различную величину, соответствен-
8
2
2
8
но, будут отличаться величины плеч \ приложения силы и развиваемый вращающий момент МВР1 на каждом гидроцилиндре
1 -
А
УСТ .ШТ 2
+ 1 К * (і - 1) + 4і | -
2- АУСТ.ГЦ |
- , 2 У
2 V
п — 1
,1еПЛЧ А
(і -1) + 4
где пф^3 - количество промежуточных положений штоков (фаз) (выражение (10));
(9)
'ГЦ
(10)
Пщ - общее количество гидроцилиндров вращения, задействованных в трансмиссии; пояр -количество гидроцилиндров совершающих обратный ход. I = 1, 2, ... пгц - порядковый номер
гидроцилиндра в группе; 4 - текущее положение штока і -го гидроцилиндра; 4. = 0...
К
п — 1
пФАЗ 1
При конструктивном исполнении, когда диаметры окружностей установки цапф штока и корпуса гидроцилиндра совпадают, т. е. Аусгшг = Аусгщ = Ащ выражение (9) примет вид
А
1 -
Ко * (і -1)+4^
ПФАЗ 1_____________
Аг„
Момент, развиваемый і -м гидроцилиндром в группе
. у 7-. Л * гг
М = р * А * п •
1±врі Утр -^уст.шт
'’Чсш I +(К+¡¿л •<' -1)+4) ‘- (АТЦ'
—• (I-1)+4
Результирующий момент, развиваемый гидроцилиндрами в разных фазах движения, представляет сумму моментов, развиваемых каждым гидроцилиндром в текущем положении
м вр пгр ^ Ртр * Ауі
1=1
8
^)2+(ко+-1)+4)1 -(АїТ'
К
АУСт.шт I Ко +---^ *(і -1) + 4І
I ^ФАЗ - 1
I V У
где - количество групп гидроцилиндров, находящихся в разных фазах выдвижения; пРАБ ^ - число гидроцилиндров в группе, совершающих рабочий ход.
При совпадении диаметров окружностей размещения цапф корпусов и штоков гидроцилиндров, т. е. Астшг = АУСТГц = Ащ, момент, развиваемый і -м гидроцилиндром будет определяться выражением
М = р * А *Ж'Ап
1У± ВРІ Утр ^ГЦ о
1 -
( К \
Ко +—^- * (і -1) + 4
ПФАЗ 1
А
ГЦ
Результирующий момент, развиваемый всеми гидроцилиндрами совершающими рабочий ход
2
ФАЗ
п
И
ГЦІ
2
2
X
2
2
ПРАБ . — 2
М Вр = пГр ^ рТр ■ Ищ -
,=1 8
Ь0 + -
, -1
• 0' -1) + 8
-
ГЦ
По полученным аналитическим выражениям были построены зависимости и определено влияние конструктивных параметров (диаметр поршня) и количества гидроцилиндров на величину развиваемого трансмиссией вращающего момента (рис. 2) для заданного диаметра головной секции геохода (Игс ) и величины давления в гидросистеме ртр.
Полученные графические зависимости (рис. 2), построенные для диаметров геоходов типоразмерного ряда проходческих щитов ЦНИИподземмаша (таблица) позволяют определить
соотношение количества гидроцилиндров (пгц) в трансмиссии и диаметра поршня (Оп) в зависимости от требуемого вращающего момента (Мвр ^ ) на головной секции.
Рис. 2. Зависимости развиваемого трансмиссией вращающего момента от количества гидроцилиндров п и диаметра поршня -
Таблица. Силовые параметры трансмиссии геоходов типоразмерного ряда проходческих щитов ЦНИИподземмаша
2
Параметры геохода пГц, шт
-гс=2, 1 м; М^вр тр=0,37 ^МН*м 4 5 6 7 8 10 12 14
Оп, м 0,125 0,09 0,08 0,07 0,063 0,056 0,05 0,045
Мвр, МН-м 0,447 0,381 0,406 0,393 0,383 0,403 0,402 0,391
Огс=2,6 м; Мвр.тр=0,73 МН-м
°п, м 0,16 0,125 0,1 0,09 0,08 0,07 0,063 0,056
МВр, МН-м 0,896 0,887 0,785 0,799 0,763 0,78 0,789 0,75
Огс=3,2 м; МВРТР=1,43 МН-м
°п, м 0,18 0,16 0,125 0,1 0,09 0,08 0,07 0,063
Мвр, МН-м 1,441 1,597 1,505 1,471 1,465 1,578 1,561 1,44
-гс=4, 1 м; Мвр.тр=4,43 МН-м
°п, м - 0,2 0,18 0,16 0,125 0,1 0,09 0,08
Мвр, МН-м - 4,119 4,096 4,032 3,631 3,86 3,751 3,752
-гс=5,6 м; Мвр тр=10,7 ^МН*м
°п, м - - - - 0,22 0,18 0,16 0,16
Мвр, МН-м - - - - 11,96 10,85 10,76 12,79
На рис. 3 и 4 представлены графики влияния соотношения диаметров расстановки опор штока и корпуса гидроцилиндра на развиваемый трансмиссией вращающий момент.
0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 ОАО 0,45 0,50 0,55 S Рис. 3. Зависимости развиваемого трансмиссией вращающего момента Мвр от взаимного расположения опор гидроцилиндра Dy
'УСТ.ШТ , .УСТ.ГЦ
МВР1/ Мп %
90
80
70
60
UV.
1
\Т \ і X, V
—пгц=5 пгц=6 пгц=7 пгц=8 пгц=9 пгц=10 —пгц=11 пгц=12 -*-пгц=14
10
15
20
25
Вуст.шт/Оуст.гЦ' 0/°
Рис. 4. Зависимость величины вращающего момента МВЛ (в % от максимального значения момента Мтах ) от отношения диаметров установки опор гидроцилиндра —усгшг / щ
Наибольший момент реализуется при равноудаленности опор гидроцилиндра от продольной оси секции, т. е. при равенстве диаметров установки опор - БУСТ ШТ = ШУСТ . (рис. 3).
С увеличением разности в диаметрах установки опор развиваемый момент будет снижаться. Соотношение диаметров расстановки опор будет влиять на изменение момента по мере выдвижения штоков. При разности диаметров до 15 % максимальный момент реализуется в начале хода, а минимальный - в конце хода штока. При разности диаметров от 15 до 25 % будет наблюдаться пик развиваемого момента, который будет смещаться от начала к концу хода штока. При увеличении свыше 25 % - максимальный момент будет реализовываться в конце хода штока гидроцилиндра.
Зависимость величины вращающего момента М (в % от максимального значения момента Мтах) от отношения диаметров установки опор гидроцилиндра —усгшг / ОУСГщ (рис. 4) показывает, что при увеличении разности в диаметрах —уст ш, —'устщ от 0 до 30 % величина развиваемого вращающего момента уменьшается от 75 до 60 % при числе гидроцилиндров пгц = 5...14 шт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксенов В.В. , Ефременков А.Б., Тимофеев В.Ю., Блащук М.Ю. Разработка и анализ возможных вариантов гидропривода в трансмиссии геохода // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2010. - ОВ № 3. - С. 184-193.
2. Аксенов В.В. , Ефременков А.Б., Тимофеев В.Ю., Блащук М.Ю. Разработка вариантов компоновочных решений гидравлической трансмиссии геохода // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: Сборник трудов Междунар. научно-практ. конф. с элементами научной школы для молодых ученых. - Томск, 2010. - С. 461-466.
3. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. - М: АСТ: Астрель, 2006. -509 с.
Поступила 14.02.2012 г.
