Исследование и разработка методов и средств ускоренных испытаний трансмиссий угледобывающих машин

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г. [80] намечено «ускорить разработку и освоение серийного производства высокопроизводительных комплексов оборудования для выемки угля в сложных горно-геологических условиях и проведения подготовительных выработок. Увеличить производственные мощности угольного машиностроения, с тем чтобы полностью удовлетворять потребности народного хозяйства в высокопроизводительном надежном горно-шахтном оборудовании.» .

Прогресс современного угольного машиностроения, предполагающий дальнейшее совершенствование технических параметров машин, невозможен без обеспечения их высокой долговечности, одним из основных показателей которой является технический ресурс.

Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что долговечность горных машин еще не соответствует требуемоьу уровню. Так, средний межремонтный срок службы основных серийных очистных комбайнов IKIOI, 2К52, 1ГШ68 составляет 12 месяцев (1500 часов машинного времени, что значительно меньше их расчетной долговечности 5000 ч.) [2, 72, 73, 82] .

Долговечность очистного комбайна в значительной степени определяется ресурсом трансмиссии привода его исполнительного органа (ревущей части) — машина ведается в капитальный ремонт практически только после достижения трансмиссией предельного состояния. Это объясняется тем, что корцусные детали редукторов являются основным несущим элементом всей конструкции комбайна, а трудоемкость ремонта трансмиссии в лаве весьма велика. На простои режущих частей комбайна IKI0I приходится 19,1 $, 2К52 -21,7%, КШЗМ -9,9% простоев комбайнов в целом, трудоемкость устране ния отказов по трансмиссиям составляет соответственно 26,2%, 33,5% и 12,7 $ от общей трудоемкости (данные ИГД им. А.А.Скочин-ского)•.

В процессе создания новых и производства серийных машин, а также при проведении капитальных ремонтов, показатели долговечности машин должны проверяться экспериментальным путем. Получение данных о долговечности изделий угольного машиностроения базируется до настоящего времени на результатах наблюдений за их эксплуатацией. Из-за сложных условий эксплуатации для получения количественных характеристик долговечности с требуемой точностью требуется время, исчисляемое годами. Вследствие этого в серийное производство запускаются машины, долговечность | которых определена практически только расчетным путем, т.к. наработка за время приемочных испытаний опытного образца составляет всего 5−10% от заданного ресурса. Мероприятия по повышению качества серийной продукции, осуществляемые без достаточ- 1 но представительной экспериментальной проверки, оказываются не j всегда эффективными. Таким образом, одной из причин недостаточj ной долговечности трансмиссий очистных комбайнов является отсутствие оперативного контроля качества их изготовления и ремонта.

В последние два десятилетия широкое применение для оценки ресурса деталей, сборочных единиц и машин в сборе получили стендовые ускоренные ресурсные испытания [21, 26, 36, 42, 53, 55, 58, 118, 119, 125]. Ведущее место здесь занимают такие отрасли промышленности, как авиационная, электронная, автотракторная и др. Это обстоятельство в значительной степени определяет успехи, достигнутые в создании надежных машин. Стендовые ускоренные ресурсные испытания позволяют производить оценку ресурса изделий в значительно более короткие сроки и с меньшими затратами по сравнению с эксплуатационными испытаниями. Так, например, затраты на стендовые испытания автомобильной коробки передач составляют всего 4% стоимости дорожных испытаний [i] .

В угольном машиностроении применение ресурсных испытаний сдерживалось до последнего времени из-за отсутствия апробированных методик и соответствующего испытательного оборудования. Применение стендовых ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов позволит: существенно сократить сроки отработки конструкции новых изделий и постановки их на серийное производствообеспечивать заданную долговечность уже на первых стадиях создания новых машинповысить эффективность мероприятий по модернизации серийной продукции и технологических процессов ее производства и ремонтаобеспечить сопоставимость данных о долговечности изделий, разрабатываемых и выпускаемых различными предприятиями.

Внедрение усовершенствованной системы испытаний в отрасли будет способствовать повышению качества выпускаемых комбайнов.

Анализ применяемых методов и средств для проведения ускоренных испытаний трансмиссий в других отраслях машиностроения показывает, что они представляют интерес в чисто методическом плане и не могут быть полностью использованы в угольной промыт! ленности для аналогичных целей в связи со спецификой эксплуатационной нагруженности и конструктивными особенностями горных машин. В связи с этим возникает необходимость постановки специальных исследований применительно к горным машинам, и в первую очередь к очистным комбайнам, определяющим в значительной степени показатели работы очистных механизированных комплексов.

С учетом изложенного представляется актуальной цель настоящей работы — разработка, исследование и внедрение методов ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов, а также создание средств для проведения этих испытаний.

Автором разработаны и защищаются следующие основные положения: метод расчета режима нагружения при ускоренных ресурсных испытанияхкритерий предельного состояния объектов испытанийкоэффициент перехода для прогнозирования эксплуатационного ресурса по результатам стендовых испытанийспособ дефектировки поврежденных усталостным выкрашиванием зубчатых колес, позволяющий объективно оценивать степень повреждения зубьевзакономерность развития усталостного выкрашивания в процессе исчерпания ресурса испытуемыми трансмиссиямиосновные технические решения средств для проведения ресурсных испытаний.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1,1. Долговечность трансмиссий режущих частей очистных комбайнов и методы ее определения.

Широкое внедрение комплексной механизации добычи угля предъявляет все более высокие требования к надежности забойного оборудования, и в первую очередь — к надежности очистного комбайна, как к основной, определяющей производительность механизированного комплекса машине.

Специфические условия эксплуатации горных машин характеризуются повышенной влажностью рудничной атмосферы, абразивностью разрушаемого массива, загрязненностью и химической активностью шахтных вод. Особенности процесса разрушения угля, наличие твердых включений в массиве, необходимость в некоторых случаях работы с «присечкой» породы обуславливают высокую динамическую нагру-женность элементов трансмиссий режущих частей очистных комбайнов, обеспечить надежность которых становится все трудней вследствие неуклонного роста энерговооруженности машин при сохранении практически неизменными основных габаритов (в сечении) корпусных деталей.

Трансмиссия режущей части является основным механизмом, осуществляющим передачу мощности и трансформацию скорости от приводного двигателя комбайна к его исполнительному органу. Кроме того, корцусные детали трансмиссии являются несущим остовом всей машины. Ремонт трансмиссии в лаве, связанный с заменой отдельных ее узлов помимо большой трудоемкости чреват повышенной опасностью для обслуживающего персонала, приводит к нежелательным горно-геологическим явлениям из-за простоя лавы и не обеспечивает требуемого качества. Изложенное обуславливает повышенные требования к долговечности трансмиссии, определяющей, как правило, ресурс комбайна в целом.

Ресурс до первого капитального ремонта, а также наработка между капитальными ремонтами являются важнейшими составляющими долговечности, определяющими качество машины.

Гарантийный ресурс очистных комбайнов до первого капитального ремонта в соответствии с ГОСТ 11 986;73 [48] регламентирован предприятиями-изготовителями в заводских технических условиях на изготовление. В качестве единицы измерения этой величины принят календарный срок службы комбайна или добыча угля в тоннах до капитального ремонта.

Существует три основных способа оценки долговечности изделий машиностроения: расчетный методметод статистического моделированияэкспериментальный метод;

Расчетный метод обеспечивает оценку долговечности изделия на стадии проектирования и дает возможность проводить сравнительную оценку надежности различных вариантов конструкции на самой ранней стадии ее создания. Ом заключается в определении нагрузок, действущих в элементах конструкции, напряжений от этих нагрузок и сравнении их с допустимыми прочностными характеристиками элементов (пределы прочности и выносливости). Следует отметить, что разработанные на основе трудов С. В. Серенсена, В. П. Когаева, В. В. Болотина и других авторов [7, 8, 44, 99] вероятностные методы расчета деталей машин на усталость позволили обосновать выбор запасов прочности и допускаемых напряжений на основе вероятностных аспектов о разрушении и надежности в условиях эксплуатации.

Применительно к горным машинам расчетные методы прямой или косвенной оценки долговечности наиболее полно представлены в работах А. В. Докукина, В. Н. Гетопанова, Ю. Д. Красникова, Е. З. Позина, П. В. Семенчи, В. И. Солода, Г. И. Солода, А. Г. Фролова, В. Н. Хорина, В. А. Дейниченко, Г. С. Рахутина, В. В. Солодухина, З.Я.Хур-гина и др. [24, 25, 28, 29, 31, 32, 33, 34, 51, 90, 95, 101, 107, 108, 109, III, I20j .

Так, в работах [28, 29, 30, 51, 101] на основании обширных исследований режимов работы горных машин доказано, что действующие в трансмиссиях нагрузки носят стохастический характер, обусловленный свойствами процессов разрушения, погрузки и перемещения горной массы. Изучение и определение нагрузок в элементах горных машин базируется на вероятностных методах, в частности, на теории случайных функций. Следует отметить, что расчеты важнейших элементов горных машин (зубчатых и цепных передач валов, осей и др.) доведены до уровня отраслевых стандартов [61, 62, 63, 84] .

Метод статистического (вероятностного) моделирования заключается в разработке и исследовании функционирования математической модели динамической системы [29J .

Выбор оптимальных параметров системы состоит из следующих этапов: разработка математической модели и ее описаниевыбор и математическое описание критериев качества (функций цели) — выбор ограниченийпоиск оптимальных значений параметров.

Критериями качества при этом служат прочность и долговечность узлов машины. Статистическое моделирование позволяет получать оценку долговечности изделий с весьма сложной структурой, не поддающихся аналитическому расчету.

Общим принципом рассмотренных методов является сопоставление действующих нагрузок с прочностными параметрами деталей* Возможности вычислительной техники позволяют существенно ускорять эти процессы и получать оптимальные, исходя из критериев качества, параметры.

Однако оба эти метода требуют в качестве исходных данных сведения о долговечности прототипов элементов системы, которые могут быть получены только на базе экспериментальных исследований машин — аналогов и являются в той или иной степени приближенными.

Фактическая долговечность как новых, так и серийных изделий может быть определена только экспериментальным методом, который заключается в проведении специальных испытаний или сборе данных о работе изделия в эксплуатации, и дает объективную и исчерпывающую информацию о ресурсе сборочных единиц и деталей машины.

Однако, как показывает практика эксплуатационных испытаний, вследствие неизбежности технологических простоев комбайна в лаве, большой тредоемкости устранения возникающих отказов и ряда j других причин в том числе организационного характера, время по- - I лучения интересующей информации весьма длительно и исчисляется j годами. Это приводит к затягиванию сроков освоения новой техники, а также затрудняет или делает невозможной оценку эффективi I ности мероприятий по модернизации серийной продукции, так как за время, которое проходит до получения информации о результатах одного нововведения, в конструкцию могут быть внесены другие усовершенствования. Кроме того, из-за разнообразия горногеологических условий и связанных с этим различий в ре жимах работы, затруднена сравнительная оценка долговечности машин однотипных: по конструкции.

Данные о долговечности могут быть получены также по результатам дефектировки комбайнов при капитальных ремонтах на рудоремонтных заводах. Однако в этом случае исследованию подвергаются изделия, отработавшие ресурс, детали которых в ряде случаев достигли предельного состояния в результате развития различных видов повреждений, взаимосвязанных между собой и зачастую переходящих одно в другое. Так, усталостное выкрашивание на краю зуба, возникшее в результате краевого контакта, может привести к поломке зуба в этой зоне. Указанное обстоятельство затрудняет установление первой причины того или иного вида повреждений, что очень важно, так как в этом случае не всегда можно правильно наметить пути повышения долговечности деталей трансмиссий. Однако полученная в процессе дефектировок машин информация по видам повреждений отдельных деталей и сборочных единиц является тем не менее ценной и полезной, так как дает статистическую оценку надежности конкретных деталей и позволяет выявить наиболее слабые места в конструкции. Среди работ этого направления следует отметить труды Я. Н. Алыпица, П. В. Семенчи, Ю. А. Зислина, JI.A. Молдавского, В. В. Ониценко, Г. Я. Паланта, Н. Г. Длгацова, И. М. Шахтина, Г. Е. Шевченко [2, 3, 72, 73, 87,89,16Д2з].

Оценку долговечности машин можно производить в лабораторных условиях методом стендовых ресурсных испытаний, роль которых в современном машиностроении определяется ростом требований и надежности оборудования, вопросами стандартизации, растущей потребностью ускорения темпов проверки и реализации новых конструкций.

Особую остроту решение этих вопросов приобретает применительно к очистноьдг оборудованию. Высокая стоимость простоев лавы предъявляет поваленные требования к надежности трансмиссий режущих частей очистных комбайнов. Стендовые испытания дают возможность в сопоставимых условиях и с меньшими затратами определять уровень качества изделия, установленный соответствующими стандартами.

Возможность оцределения ресурса при стендовых испытаниях в весьма короткие сроки позволяет значительно уменьшить расходы, связанные с отказами изделий при эксплуатационной проверке.

Ускорение испытаний осуществляется за счет исключения || технологических пауз, неизбежных в эксплуатации, т. е. за счет непрерывности испытательного цроцесса, а также за счет интенсификации различными способами процессов утраты ресурса изде !

11 лиями.

Несмотря на то, что финальной проверкой всех свойств изделия является эксплуатация, на основании которой выносится окончательное сулщение о его долговечности, стендовые ускоренные ресурсные испытания являются в настоящее время одним из наиболее перспективных средств оперативного контроля уровня долговечностиони применяются как для ускорения отработки опытных конструкций, обеспечивая им заданную долговечность на стадии освоения, так и для контроля качества серийной продукции в процессе изготовления, ремонта и после модернизации конструкции или внедрения более совершенных технологических процессов ее производства.

Анализ различных методов оценки долговечности машин позволяет сделать выводы:

1.Аналитический метод и метод статистического моделирования заключаются в совместном анализе действующих нагрузок и прочностных характеристик деталей, и дают косвенную оценку долговечности машин через коэффициенты запасов прочности их деталей и должны проверяться исследованиями работы машин в эксплуатационных или близких к ним условиях.

2.Статистически достоверная информация о долговечности машин может быть получена только по результатам промышленной эксплуатации изделий, однако большая длительность процесса снижает ценность этой информации.

3.Стендовые ускоренные ресурсные испытания позволяют получать информацию о долговечности машин в значительно более короткие сроки, чем по результатам эксплуатационных испытаний или наблюдений за эксплуатацией изделий.

ОВЦИБ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. Применительно к решению задачи повыпения долговечности горных машин сфорцулир ованы основные принципы оценки ресурса трансмиссии режущих очистных комбайнов методом стендовых ускоренных испытаний".

2.Разработанный метод расчета параметров режима нагружения для проведения ускоренных стендовых ресурсных испытаний, основанный на учете фактической эксплуатационной нагруженности, обеспечивает требуецую сходимость результатов стендовых испытаний и эксплуатации и позволяет в 5−10 раз ускорять оценку ресурса испытуемых трансмиссий по сравнению с наблюдениями в эксплуатации. Испытания по предложенному режиму позволяют воспроизводить в лабораторных условиях типичные для эксплуатации процессы и виды разру-оения деталей.

3.Конструкция, силовые и кинематические параметры оборудования разработанного универсального нагрузочного стенда позволяют проводить ресурсные испытания трансмиссий различных горных машин с различными компоновочными схемами замкнутым, раз омкнутым и комбинированным методами и нагружать выходные валы испытуемых трансмиссий крутящим моментом, радиальной и осевой силами. Это обеспечивает воспроизведение напряженного состояния деталей трансмиссии эквивалентного эксплуатационному. Большой объем различных испытаний, проведенных на созданном стецце, показал его высокую надежность, что дает основание рекомендовать его к внедрению в отрасли.

4.Проведенными экспериментальными исследованиями подтверждено, что ресурс трансмиссий режущих частей очистных комбайнов при стендовых испытаниях и в эксплуатации определяется в первую очеt4o ' редь долговечностью зубьев зубчатых передач, основным видом повреждений которых является усталостное выкрашивание* На основании статистического анализа результатов дефектировок трансмиссий режущих частей после эксплуатации принят критерий предельного состояния трансмиссий, определяемый выходом из строя 50 $ зубчатых передач".

5.Экспериментально определен коэффициент перехода =3, позволяющий рассчитывать эксплуатационный ресурс испытываемых изделий по ресурсу при стендовых испытаниях, а также получено аналитическое выражение коэффициента перехода в функции от коэффициента форсирования режима и показателя наклона кривой усталости.

6.Предложен и освоен способ дефектировки поврежденных усталостным выкрашиванием зубьев колес, позволяющий с помацью коэффициента повреждаемости объективно оценивать степень повреждения зубьев усталостным выкрашиванием. Установлена линейная зависимость процесса развития выкрашивания во времени.

7.Установлено, что погрешности механической и термической обработки зубчатых колес приводят к значительному /до 300 $/ разбросу степени повреждаемости зубьев отдельных отбракованных после испытаний колес* Полученная путем статистической обработки на ЭВМ экспериментальных данных кривая распределения повреждаемости показывает, что ресурс зубчатых колес определяется примерно одной пятой общего количества зубьев, что свидетельствует о больших возможностях увеличения долговечности трансмиссий за счет повшения точности изготовления зубчатых передач*.

8.В результате широкой апробации основных положений методики при проведении ресурсных испытаний в Инженерно-испытательном центре Гипроуглемаша, а также в институте MRb Е /Великобритания/, разработаны отраслевая «Методика проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов» и «Объединенная британо-советская методика ускоренных ресурсных испытаний горных машин», разработан и утвержден ОСТ «Изделия угольного машиностроения. Редукторы. Правила приемки и методы испытаний» .

9.Годовой экономический эффект /народнохозяйственный/ от внедрения методики и стенда для ускоренных ресурсных испытаний за счет экономии затрат на проведение испытаний по сравнению с эксплуатационными испытаниями составит 160,5 тыс. руб.