Определение контактных напряжений поверхностей сопряжения шарнирного соединения тормозного устройства шахтных подъемных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение контактных напряжений поверхностей сопряжения шарнирного соединения тормозного устройства шахтных подъемных машин

Канатные шахтные подъемные машины являются важнейшим звеном в транспортной цепочке перемещения полезного ископаемого с нижних горизонтов шахты на поверхность, а также обеспечивают транспортирование персонала и оборудования. В настоящее время в горной промышленности применяются подъемные машины, в основном введенные в эксплуатацию в 60-80-е годы прошлого века. Полная замена этого оборудования, как правило, не предусматривается. Одним из наиболее ответственных элементов шахтных подъемных машин, выполняющим функции управления и защиты, является тормозное устройство.

Надежная эксплуатация тормозного устройства шахтных подъемных машин на протяжении всего срока эксплуатации диктуется нормативными требованиями безопасности. Эффективность эксплуатации механизма тормозного устройства шахтных подъемных машин зависит от надежности работы его основных элементов, в частности шарнирных соединений. При интенсивной эксплуатации подъемной машины в элементах рычажно-шарнирного механизма возникают повреждения, связанные с появлением зазоров из-за износа контактных поверхностей втулок. Это приводит к изменению рабочих параметров тормозного устройства и, как следствие, к увеличению времени его срабатывания.

Между тем не используются возможности повышения надежности шарнирных соединений за счет увеличения площади контактных поверхностей. Исходя из вышесказанного, установление рациональных конструктивных параметров элементов шарнирных соединений является актуальной задачей. Для решения этой задачи на первом этапе важным является определение напряжений на поверхности сопряжения шарнира. С помощью имитационного моделирования проводился анализ возникновения контактных напряжений в зависимости от геометрической формы и площади поверхности контакта втулок.

Исследовались имитационные модели шарниров шахтных подъемных машин диаметром 120 мм. Объектом исследования является шарнир, который конструктивно состоит из втулки и пальца.

Имитационные модели втулки и пальцев шарнира выполнены с учетом конструктивных размеров, приведенных в документации, по которым они были изготовлены. С помощью имитационного моделирования проведено исследование основных факторов появления контактных напряжений сопрягаемых поверхностей в зависимости от их геометрической формы и площади для установления параметров износа в области контактных поверхностей [1]. шахтный машина транспортирование

Полученные данные эксперимента обработаны и проанализированы. Установлены численные значения контактных напряжений и законы их изменения в зависимости от формы и площади поверхности сопрягаемых деталей при различных воздействиях внешней нагрузки для дальнейшей реализации наиболее рационального конструкторского исполнения шарнира в механизмах тормозного устройства шахтных подъемных машин.

Эксперимент проведен с пятью имитационными моделями шарниров с различными конструктивными параметрами.

Имитационные модели имеют следующие различия:

- первый вариант - типовая конструкция с цилиндрической внутренней поверхностью втулки по линии АК с диаметром d2;

- второй вариант имеет частичную коническую расточку внутренней поверхности втулки на 0,1 ее длины по линии АВС с диаметрами d2 и d3;

- третий вариант имеет частичную коническую расточку внутренней поверхности втулки на 0,35 ее длины по линии АВС с диаметрами d2 и d3;

- четвертый вариант имеет частичную коническую расточку внутренней поверхности втулки на 0,7 ее длины по линии АВС с диаметрами d2 и d3;

- пятый вариант имеет полную коническую расточку внутренней поверхности втулки на всю ее длину по линии АС с диаметрами d2 и d3.

Установлены величины напряжений у при условии, что заданный интервал нагружения лежит в пределах от 0,01 до 10 МПа. Полученные экспериментальные данные, обработаны статистико-детерминированным методом построения моделей с использованием ЭВМ и программы АNETR [2].

Полученные математические модели позволяют определить значения максимальных напряжений (умах), для пяти различных конструктивных исполнений, при следующих граничных условиях: давление Р, приложенное к пальцу от 0,01 до 10 МПа; умах< уТ; перемещение по осям после приложения силы OX=0 м; OY=0 м; OZ=0 м. Начальные условия значения приложенного давления на палец втулки Р?0=0. В результате автоматизированной аппроксимации полученных данных эксперимента, выявлены следующие однофакторные зависимости с условием, что Y - выходной параметр (умах), а Х - входной параметр Р:

1) значение максимальных напряжений для варианта 1, в зависимости от приложенного давления Р от 0,01 до 10 МПа:

умах 1 = 167,338 + (-2,21892 · Р 1),

где умах 1 - максимальное напряжение на единицу площади контактной поверхности втулки имитационной модели шарнира по первому варианту, МПа;

Р 1 - давление на втулке имитационной модели шарнира по первому варианту, МПа;

2) значение максимальных напряжений для варианта 2, в зависимости от приложенного давления Р от 0,01 до 10 МПа:

умах 2 = 13,3101 + 0,598632 · Р 2,

где умах 2 - максимальное напряжение на единицу площади контактной поверхности втулки имитационной модели шарнира по второму варианту, МПа;

Р 2 - давление на втулке имитационной модели шарнира по второму варианту, МПа;

3) значение максимальных напряжений для варианта 3, в зависимости приложенного давления Р от 0,01 до 10 МПа:

умах 3 = 354,215 + (-4,2002 · Р 3),

где умах 3 - максимальное напряжение на единицу площади контактной поверхности втулки имитационной модели шарнира по третьему варианту, МПа;

Р 3 - давление на втулке имитационной модели шарнира по третьему варианту, МПа;

4) значение максимальных напряжений для варианта 4, в зависимости приложенного давления Р от 0,01 до 10 МПа:

умах 4 = 16,0993 + 0,210440 · Р 4,

где умах 4 - максимальное напряжение на единицу площади контактной поверхности втулки имитационной модели шарнира по четвертому варианту, МПа;

Р 4 - давление на втулке имитационной модели шарнира по четвертому варианту, МПа;

5) значение максимальных напряжений для варианта 5, в зависимости приложенного давления Р от 0,01 до 10 МПа:

умах 5 = 569,007 + (-7,76837 B · Р 5),

где умах 5 - максимальное напряжение на единицу площади контактной поверхности втулки имитационной модели шарнира по пятому варианту, МПа;

Р 5 - давление на втулке имитационной модели шарнира по пятому варианту, МПа.

Благодаря использованию конической поверхности увеличивается площадь контакта поверхностей втулки и пальца, в результате снижаются контактные напряжения при эксплуатационных нагрузках и уменьшается износ контактных поверхностей втулки. Необходимо отметить экономическую целесообразность повторного использования втулки, за два ремонтных периода, без ее демонтажа и разборки всего механизма. Исследования имитационной модели пары "втулка-палец" с использованием пакета прикладных программ ANSYS показали, что приложение внешних нагрузок изменит распределение напряжений в зоне, подверженной износу. Это происходит благодаря увеличению контактных поверхностей, так как износ функционально зависит от площади контакта U = f(Sк) и при ее увеличении снижается. Напряжения в зоне контакта втулки и пальца у = f(Sк) тоже функционально зависят от площади контакта и при ее увеличении снижаются.

Экспериментальным путем установлена зависимость напряжений на контактной поверхности втулки от глубины расточки по отношению к ее общей длине. Благодаря использованию конической поверхности увеличивается площадь контакта поверхностей втулки и пальца, в результате снижаются контактные напряжения при эксплуатационных нагрузках. Геометрический смысл этого явления демонстрируется на рисунке 1. Уменьшение износа втулки происходит за счет увеличения площади контакта втулки с пальцем, так как площадь контакта по поверхности тела с образующей АВС больше, чем площадь контакта по поверхности с образующей АК. Сумма длин сторон АВ и ВС больше длины стороны AC, следовательно, образующая линия с перегибом АВС более эффективна чем прямая линия AC. При конструировании точка С (и соответственно больший внутренний диаметр втулки после расточки) определяется из условия смятия втулки. Угол наклона СВК должен быть больше угла конуса Морзе (7°). При углах расточки менее 7° может появляться схватываемость сопрягаемых поверхностей и заклинивание шарнира.

L1 - длина втулки; L2 - глубина расточки внутренней конической поверхности втулки; d1- наружный диаметр втулки; d2 - внутренний диаметр втулки;

d3 - больший внутренний диаметр втулки после расточки; г - минимальная возможная толщина стенки втулки из условия смятия

Рисунок 1 - Продольное сечение втулки

Анализ полученной зависимости напряжений на контактной поверхности втулки от глубины расточки (рисунок 2) позволяет определить область дальнейших натурных экспериментов на физических моделях. Эта область лежит в пределах глубины расточки 0,35 … 0,7 длины втулки.

Рисунок 2 - Зависимость напряжений на контактной поверхности втулки от глубины расточки по отношению к ее общей длине

Список литературы

1. Булатбаев Ф.Н. Методы диагностики износа элементов рычажно-шарнирного механизма тормоза шахтных подъемных машин // Актуальные проблемы современности: междунар. науч. жур. 2010. Вып. 3 (53). Караганда: Болашак-Баспа, 2010. С. 11-14.

2. Мехтиев А.Д. Математическая модель балки тормозного устройства шахтной подъемной установки // V междунар. науч.-практ. конф. "Strategiczne pytania swiatowej nauki - 2009". Przemyњl: Praha, 2009. С. 8-9.

Размещено на Allbest.ru