книги / Расчет и конструирование горных транспортных машин и комплексов
..pdfРАСЧЕТ
И КОНСТРУИРОВАНИЕ
ГОРНЫХ
ТРАНСПОРТНЫХ
МАШИН
И КОМПЛЕКСОВ
Под общей р е д а к ц и е й проф. И . Г. Ш ТОКМ АНА
Допущено Министерством высшего
исреднего специального образования СССР
вкачестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Горные машины и комплексы»
SS8KSS
МОСКВА, «НЕДРА», 1975
Расчет н конструирование горных транспортных машин и комплексов. Под общ. ред. проф. И. Г. Штокмана. М., «Недра», 1975. 464 с. Авт.: И. Г. Штокман, П. М. Кондрахин, В. Н. Маценко н др.
В книге приведены устройство и конструктивный расчет основ ных транспортных машин, применяемых на шахтах и карьерах: конвейеров, оборудования колесного транспорта, погрузочных и погрузочно-транспортных машин; рассмотрены динамические про цессы при работе горного транспортного оборудования.
Книга предназначена в качестве учебника по курсу «Расчет и конструирование горных транспортных машин и комплексов» для студентов горных вузов и факультетов, обучающихся по специаль ности 0506 «Конструирование горных машин и комплексов». Она может быть использована также инженерно-технпческими работ никами горных предприятий.
Табл. 19, пл. 247, список лит. — 95 назв.
Авторы: И. Г. Штокман, П. М. Кондрахин, В. Н. Маценко, Н. Д. Мухопад, С. И. Носенко, И. Т. Сидоренко, Е. М. Сноведский, Г. Ш. Хазанович, К. И. Чебаиенко.
р 30704-245 |
282 -75 |
© Издательство «Недра», 1975 |
043(01)-75 |
|
|
П Р Е Д И С Л О В И Е
Курсу «Расчет и конструирование горних транспортных машин
икомплексов» предшествует курс «Горние транспортные машины»,
вкотором излагаются общие сведения о горних транспортных маши
нах, рассматриваются их классификации, типажи, эксплуатация и охрана труда при их применении, технико-экономические показа тели, технологические расчеты, а также машины общего назначе
ния: промышленные локомотивы, |
вагоны, стационарные конвейеры |
и др. Поэтому в настоящем |
учебнике эти вопросы не ос |
вещены. |
|
В книге даны анализ конструкций и специальные расчеты, необ ходимые конструктору при создании новых машин. Рассмотрены основные типы машин, по которым накоплен значительный отечест венный опыт конструирования. Из расчетов приведены только те, которые вошли в практику либо апробированы в такой степени, что могут быть рекомендованы для использования.
Из зарубежной техники рассмотрены лишь наиболее оригиналь ные конструкции машин.
Весь материал разбит на три раздела. В конце каждого при веден список литературы, на которую даются ссылки в данном раз деле и которая рекомендуется для углубленного изучения отдельных вопросов.
В каждом разделе выделены главы, посвященные динамике работы рассматриваемой группы машин, что обусловлено все возрастающим распространением динамических расчетов горных транспортных машин, а также необходимостью в ряде случаев анализа конструкции, исходя из динамических процессов, протекающих в машине.
Подготовку книги в целом, а также общее редактирование выпол нил проф., докт. техн. наук И. Г. Штокман.
Авторами книги являются:
проф., докт. техн. наук И. Г. Штокман — введение, глава I {совместно с канд. техн. наук Л. Н. Сигаловым), глаза II (§ 5 — сов местно с В. И. Проскуриным), глава V {совместно с доц., канд. техн.
наук |
П. |
М. |
Кондрахиным), § 3 главы VI {совместно с канд. техн. |
наук |
К. |
И. |
Чебаненко) гл. V III {совместно с канд. техн. наук |
К. И. Чебаненко и канд. техн. наук А. Д. Димашко), заключение; доц., канд. техн. наук П. М. Кондрахин — глава III;
доц.у канд. техн. наук Е. М. Сноведский — глава IV (с исполь зованием материалов чл.-порр. АН СССР А. О. Спиваковского);
канд. техн. наук П. С. Шахтарь — §§ 1 и 2 главы VI;
д о ц к а н д . твян. наук |
5 . Я . Маценко — глава F/7; |
|
doif.s канд. теян. наук |
Я . Д. Мухопад — глава IX ; |
|
доц.у канд. техн. наук И. Т. Сидоренко — глава X (§ 4 совместно |
||
с доц.у канд. техн. наук Е. М. Сноведским); |
||
доц.9 канд. техн. наук |
С. И. Носенко и доц.9 канд. техн. наук |
|
Г. Ш. Хазанович — главы |
X I , X I I , X / / / , |
X7V (главы X I , Х /7 |
и X III подготовлены на основе исследований, |
выполненных доцентами |
|
О. П. Ивановым и В. Г. Сильня); |
|
|
канд. техн. наук Ю. А. Петров, иняе. М. Я. Шляпинтох, иною. |
||
М. И. Богорац — гл. XV; |
|
|
канд. техн. наук Л. II. Сигалов — § 4 |
главы II; |
канд. техн. наук Ю. М. Шендерович — § 6 главы VII.
Авторы выражают признательность рецензентам: проф., докт. техн. наук В. С. Берсеневу и колллективу возглавляемой им кафедры конструирования горных машин Ленинградского горного института и проф.у докт. техн. наук А. В. Евневичу за полезные замечанияf сделанные при рецензировании рукописи.
Физические величины в книге даются в единицах систем МКС и МКГСС. Для перевода их в единицы системы СИ можно пользо ваться следующей таблицей.
Преобразование используемых единиц измерения в единицы системы СИ
Наименование |
Единицы измерения по сис |
Обозначение |
Значение в еди |
теме МКс и внесистемные |
|
ницах систем н ей |
|
Сила |
килограмм-сила |
кге |
9,81 Н |
Работа, энергии |
килограмм-сила-метр; |
кге •м |
9,81 Дж |
Количество тепла |
ватт-час; |
ВТ •я |
3,6-103 Дж |
Мощность |
лошадиная сила-час |
л. с . •ч |
2,65 •10е Дж |
килограмм-сила-метр |
кге •м/с |
9,81 Вт |
|
|
на секунду |
л. с. |
736 Вт |
Угол |
лошадиная сила |
||
градус |
градус |
1,75-10-2 |
|
Давление, механическое |
килограмм-сила на |
КГС/см2 |
радиан |
9,81 •104 Па |
|||
напряжение |
квадратный саптиметр |
об/мин |
0,106 рад/с |
Угловая скорость |
оборот в минуту |
||
Скорость |
километр в час |
км/ч |
0,218 м/с |
Момент силы |
килограмм-сила-метр |
КГС •м |
9,81 Н - м |
В В Е Д Е Н И Е
Научно-технический прогресс в развитии горнодобывающей про мышленности СССР связан с непрерывным совершенствованием существующих и созданием новых, более эффективных машин, отве чающих разнообразным требованиям условий их эксплуатации. Однако для того, чтобы горная транспортная машина, как, впрочем, и любая другая машина новой конструкции, наиболее полно отвечала своему назначению и имела высокие технические и экономические показатели, необходимо при ее создании руководствоваться помимо эксплуатационных требований также требованиями общего характера.
Простота конструкции обычно влечет за собой снижение стои мости изготовления и эксплуатации машины, облегчает ее обслужи вание. Упрощение конструкции, однако, не должно перешагнуть ту допустимую грань, за которой будут снижены степень ее совершен ства и эксплуатационные показатели.
Надежность — свойство машины выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в течение требуемого промежутка времени. Надежность обеспечивается рациональной конструкцией и степенью ее отработки, стабильностью свойств вы бранных материалов, высоким качеством изготовления и соблюде нием правил эксплуатации. Однако было бы неправильным при создании транспортной машины полагаться на постоянный высоко квалифицированный уход за ней. Тяжелые условия работы машин
на |
горных предприятиях могут |
иной раз |
отрицательно |
сказаться |
и |
на качестве ее обслуживания. |
Поэтому |
необходимо |
стремиться |
к снижению влияния эксплуатационных факторов на надежность машин и сводить к минимуму объем операций обслуживания.
Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособ ность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.
Фактическая долговечность может быть ниже проектной вслед ствие неправильной эксплуатации машины: перегрузок, увеличения длины конвейера выше расчетной, форсирования скорости и т. п. Поэтому конструктор должен ограничить возможности нарушения расчетных режимов работы транспортной машины при ее работе.
В нормально функционирующей машине может, однако, быть исчерпан ресурс ее моральной долговечности. Моральное старение
о
(износ) происходит, если показатели действующих машин перестают удовлетворять горное производство, особенно при появлении ма шин, выполняющих те же функции с лучшими показателями. Глав ным направлением предупреждения морального износа является создание таких базовых конструкций, в которых заложены резервы их совершенствования по всем основным показателям, осуществля емым при периодических модернизациях.
Экономичность машины, с одной стороны, связана с процессом ее конструирования и изготовления и, с другой, — с процессом эксплуатации. Обе эти стороны в зависимости от конкретных кон структивно-технологических решений могут находиться в противо речии, но могут и дополнять друг друга.
Конструктор должен стремиться к снижению стоимости проект ных работ и удешевлению изготовления машин. Однако удешевле ние машины не должно вызывать ощутимого увеличения эксплуата ционных расходов, в противном случае суммарный экономический эффект будет снижаться. Поэтому в задачу конструктора входит установление экономической эффективности машины по совокупности всех влияющих факторов.
Блочность (агрегатирование) конструкции предусматривает соз дание машины из обособленных узлов (блоков), монтируемых на базовом узле. Машину, состоящую из блоков, легче собирать, регу лировать, транспортировать и ремонтировать. Кроме того, блочная конструкция проще поддается модернизации. Как сказано выше, в самой конструкции машины должны быть заложены предпосылки, облегчающие ее последующую модернизацию. Одной из таких пред посылок является разделение конструкции машин на отдельные узлы, по возможности взаимозаменяемые и выполняющие самостоя тельные функции.
При испытаниях машин и во время их эксплуатации выявляются наименее совершенные элементы. При наличии самостоятельных бло ков разработку необходимых конструктивных усовершенствований, их испытание и внедрение в серийное производство можно ограничить лишь отдельными блоками, не ‘затрагивая остальных. Наконец, принцип блочностн позволяет использовать одинаковые блоки (чаще всего приводные) в различных транспортных машинах (например, в конвейерах).
Безопасность машины является требованием первостепенной важности, несоблюдение которого делает машину непригодной для
эксплуатации.
Взрывоопасность рудничной атмосферы, запыленность и влаж ность среды, стесненность и непостоянство рабочего места — эти и другие специфические условия работы средств горного транспорта усложняют решение вопросов создания безопасных машин.
Конструктивная безопасность машины достигается взрывобезо пасным исполнением оборудования, компактностью, повышением удобства обслуживания, предохранением машины от перегрузок, устройством ограждений и переходных мостиков (для магистральных
конвейеров), наличием блокировок и кожухов, автоматизацией управления и контроля режимов работы отдельных узлов машины и т. д. Большое значение имеют такие эксплуатационные мероприя тия, как улучшение проветривания и освещения, а также строгое
соблюдение |
Правил безопасности в угольных и сланцевых |
шахтах. |
обслуживания и комфортность управления опреде |
Удобство |
ляются не только уровнем безопасности, но и рядом дополнительных факторов.
Снижение веса машины облегчает ее сборку и разборку. Они облегчаются также упрощением конструктивных форм узлов и до ступностью мест сборки.
Компактность машины связана не только с условиями ее вписы вания в выработки, но и с облегчением обслуживания, в частности, доступности для наблюдения и осмотра.
Возможность разборки машины на транспортабельные узлы обеспечивает удобство ее транспортирования по горным выработкам и на поверхности.
Блочность конструкции облегчает проведение ремонтов, так как позволяет заменять вместо отдельных деталей целые блоки, что уменьшает объем монтажных работ.
Применение долговременных смазок, особенно у машин с боль шим числом одинаковых (или подобных) смазываемых узлов (напри мер, роликовых опор конвейеров), применение централизованной смазки, поставка горным предприятиям наряду с машиной и вспомо гательного оборудования сервиса также способствуют облегчению обслуживания.
Для повышения комфортности управления большое значение имеют простота и удобство конструкции кнопок и рукоятей управ ления, сосредоточение их, а также высокая степень автоматизации, удаление мест пересыпания груза от рабочего места оператора, низ кий уровень шума, отсутствие вредных вибраций, соблюдение тре бований технической эстетики.
Изложенные принципы не исчерпывают всех требований, предъ являемых к конструкциям транспортных машин. Многие из них определяются конкретным назначением машины.
Проектированию новой машины или модернизации существу ющей, как правило, предшествует научная проработка, обосновыва ющая необходимость проектных работ, а также основные параметры и показатели машины. Для этого прежде всего тщательно изучают условия работы машины. Устанавливают требуемую производитель ность, длину транспортирования, диапазон углов наклона и ряд других эксплуатационных показателей; обобщают достоинства и не достатки существующих транспортных машин, работающих в анало гичных условиях как в СССР, так и за рубежом. Последнее требует проведения патентного поиска, который закладывает основу обеспе чения патентной чистоты нового изделия. Кроме того, выполняются теоретические исследования.
Разработка принципа действия новой машины может идти в одном из двух направлений:
1)конструктивная преемственность, т. е. выбор из всего много образия существующих конструктивных решений прототипа и введе ние в него всего полезного, что имеется в конструкциях других машин;
2)научный поиск, обеспечивающий изыскание новых принци пов работы транспортной машины и конструктивных решений.
Эти направления могут в некоторых случаях переплетаться, когда в выбранный прототип вводятся принципиально цовые узлы или элементы.
Научная проработка включает в нужных случаях эксперимен тальные исследования на специальных стендах или в полупромыш ленных условиях лабораторного образца машины или ее узла. Необходимость в таких исследованиях особенно велика при создании машины, основанной на новом принципе работы.
Важным этапом, предшествующим проектированию, является
разработка |
технического задания (ТЗ) на проектируемое |
изде |
||
лие. ТЗ являются первичным |
и обязательным |
документом |
для |
|
выполнения |
конструкторских |
работ. В нем |
приводятся |
крат |
кие сведения об изделии: его наименование, назначение и область применения; технологический процесс, для которого оно создается; научно-техническое обоснование создания машины; даются перечень агрегатов и узлов, подлежащих заводским испытаниям, и условия испытаний. Технико-экономические обоснования и установление ориентировочной потребности в создаваемой машине на ближайшие годы позволяют установить ожидаемую экономическую эффективность ее применения. Приводятся также данные об ожидаемом техни ческом уровне новой машины: эксплуатационно-технические пока затели, стоимость транспортирования 1 т груза и стоимость 1 т-км транспортной работы, показатели надежности и долговечности, дан ные патентной чистоты, уровень технической эстетики машины и т. д. В ТЗ должны быть указаны цена изделия и рекомендуемые этапы его создания.
Стадиями конструкторской разработки технической документа ции на опытный образец изделия являются: эскизный, технический и рабочий проекты. В отдельных случаях целесообразно объедине ние стадий в эскизно-технический или техно-рабочий проект.
Опытные образцы новых транспортных машин изготовляют, как правило, научно-исследовательские или проектно-конструкторские институты на своих экспериментальных базах, а в отдельных слу чаях на машиностроительных заводах. Эти образцы подвергаются заводским и промышленным испытаниям1.
На основе утвержденного технического проекта или технического задания разрабатывается рабочий проект опытно-промышленного образца. Рабочее проектирование ведет, как правило,, завод-изгото
1 Порядок разработки и постановки на производство изделии угольного машиностроения предусмотрен ОСТ 12.47.008—74.
витель. Разработка рабочих чертежей должна производиться в соот ветствии с общегосударственной единой системой конструкторской документации (ЕСКД) и с соблюдением действующих государствен ных стандартов, межотраслевых и отраслевых нормалей, а также нормалей сортаментов материалов, принятых на заводе-изготови- теле. Изготовление и доводка опытно-промышленных образцов новой транспортной машины производится под руководством главного конструктора проекта и ведущего конструктора завода.
Заводские испытания новой машины проводят с целью проверки ее соответствия техническому заданию и готовности к промышлен ным испытаниям. При промышленных испытаниях опытно-промыш ленного образца машины проверяют ее соответствие ТЗ, а по их окончанию производят доводку машины.
Эксплуатационная проверка лучше всего позволяет устранить слабые места конструкции. В процессе промышленных испытаний могут быть подвергнуты ремонту отдельные узлы машины, а также внесены некоторые изменения в ее конструкцию.
При изучении возникающих отказов в работе машины необхо димо установить их причины. Обязательному учету подлежат те отказы, которые вызваны конструкцией машины, а не нарушениями условий эксплуатации.
Важную роль играют экспериментальные исследования как при заводских, так и при промышленных испытаниях. На узлы и детали транспортйой машины во время эксплуатации действуют нагрузки,
обычно зависящие |
от большого числа факторов |
эксплуатацион |
|
ного |
и технологического характера. Такие факторы, как неточность |
||
изготовления или |
износ трущихся поверхностей |
из-за наруше |
|
ния |
нормального |
взаимодействия деталей, могут резко иска |
зить всю картину нагружения и вызвать разрушения узлов машины. В этих условиях трудно, а часто и невозможно получить расчет ным путем достоверные данные о нагрузках и режимах работы ма шины. Между тем такие сведения необходимы для расчета элементов машин на прочность, усталость от переменных деформаций и вынос ливость контактных поверхностей. Комплексные экспериментальные исследования образцов оборудования рудничного транспорта на испытательных стендах и в шахтных условиях позволяют выявить динамические свойства машин и фактические нагрузки, действу ющие на их элементы. Материалы этих исследований необходимы для создания новых, более совершенных образцов машин и модерни зации существующих, а также для решения важных теоретических
вопросов.
По результатам промышленных испытаний производят корректи ровку технической документации и принимают решение о серийном производстве машины.
Раздел первый
К О Н В Е Й Е Р Ы
Г л а в а I
ДИНАМИКА РАБОТЫ КОНВЕЙЕРОВ
СТЯГОВЫМ ОРГАНОМ
§1. ДИНАМИКА УСТАНОВИВШЕГОСЯ ДВИЖЕНИЯ
Волновое уравнение
Реальный тяговый орган обладает упругостью и под действием внешнего возмущения деформируется на величину и (я, t), которая является функцией положения рассматриваемого сечения х и вре мени t.
При рассмотрении колебательных процессов в тяговом органе зго в первом приближении можно отождествить с однородным упру гим стержнем, относительная деформация которого в рассматривае
мом сечении равна е = du/dx. |
Это |
допущение достаточно |
точно |
|||
|
6 |
|
|
I |
|
а |
а |
/1Т-------- |
Ф - |
1------------------V |
-------& |
||
|
ф |
— :___ |
||||
|
в |
|
|
|
|
|
|
Ф _____ И |
Ф |
□ — — |
□ |
— а |
|
|
г |
|
|
|
|
■I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j-v— |
v4= *- |
— |
Рис. 1.1. Расчетные схемы для определения частоты собственных колебаний тяговых органов при «закритическом» (/) и «докритическом» (II) первоначальном натяжении
отражает свойства натянутой тяговой цепи, не имеющей провиса ющих участков. К большим погрешностям приводит подобное рас смотрение конвейерной ленты, которая является не вполне упругим (упруго-вязко-пластическим) телом.
Для составления уравнения продольных упругих колебаний тяго вого органа выделим на порожней ветви элементарный участок, ограниченный близкими сечениями х и х + 6я (рис. 1.1, а).