Dynamika przekładni zębatych stożkowych maszyn górniczych

Z E S Z Y T Y N A U K O W E

P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J

Antoni SKOĆ

DYNAMIKA PRZEKŁADNI ZĘBATYCH STOŻKOWYCH

MASZYN GÓRNICZYCH

T

5 0 - L E C I E

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

G O R N I C T W O

Z. 226

GLIW ICE

1996

2 ) 3 5 4

Antoni SKOĆ

D Y N A M I K A P R Z E K Ł A D N I Z Ę B A T Y C H S T O Ż K O W Y C H

M A S Z Y N G Ó R N IC Z Y C H

GLIWICE 1996

OPINIODAWCY Prof. dr hab. inż. Jan Adamczyk

Dr hab. Janusz Szopa - Prof. Politechniki Częstochowskiej

KOLEGIUM REDAKCYJNE

REDAKTOR NACZELNY - Prof. dr hab. inż. Jan Bandrowski

REDAKTOR DZIAŁU - Dr inż. Franciszek Plewa

SEKRETARZ REDAKCJI - Mgr Elżbieta Leśko

REDAKCJA Mgr Anna Błażkiewicz

REDAKCJA TECHNICZNA Alicja Nowacka

Wydano za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej

PL ISSN 0372-9508

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej ul. Kujawska 3, 44-100 Gliwice

N ak ład 110+83 eg z. A rk. w yd. 13,5. A rk. druk. 13,125. P a p ie r offset, k l. III 70x100, 80g

Podpisano i oddano do druku 15.02.1996 r. Druk ukończono w lutym 1996 r.

Zam. 12/96 Cena zł 6,80

Fotokopie, druk i oprawę wykonano w UKiP sc, Gliwice, ul. Pszczyńska 44

S p is tr e ś c i

Z e sta w w a ż n ie js z y c h o z n a c z e ń 13

1 W p r o w a d z e n ie 17

2 U z a s a d n ie n ie c e lo w o śc i p o d ję c ia t e m a t u p r a c y 21 2.1 Dynamika przekładni stożkowych w świetle dotychczasowych

b a d a ń ... 22

2.2 Przekładnie zębate stożkowe w napędach maszyn górniczych . 25 3 C e l, za k r e s i t e z y p ra cy 39 4 B a d a n ia e k s p e r y m e n ta ln e zja w isk d y n a m ic z n y c h w p r z e k ła d ­ n iach z ę b a ty c h s to ż k o w y c h 43 4.1 M etody badań ... 44

4.2 Stanowisko badaw cze... 46

4.3 W pływ parametrów konstrukcyjnych i technologicznych oraz warunków eksploatacyjnych na dynamikę przekładni stożko­ wych ... 53

4.3.1 W pływ prędkości obwodowej k ó ł ... 53

4.3.1.1 Obiekt b a d a ń ... 53

4.3.1.2 Przebieg b a d a ń ... 54

4.3.1.3 Wyniki b a d a ń ... 55

4.3.2 W pływ obciążenia s t a t y c z n e g o ... 64

4.3.2.1 Obiekt b a d a ń ... 64

4.3.2.2 Przebieg b a d a ń ... 65

4.3.2.3 Wyniki b a d a ń ... 65

4.3.3 W pływ kąta pochylenia linii z ę b a ... 76

4.3.3.1 Obiekt b a d a ń ... 76

4 Spis treści

4.3.3.2 Przebieg b a d a ń ... 76

4.3.3.3 W yniki b a d a ń ... 76

4.3.4 W p ływ luzu m ię d z y z ę b n e g o ... 83

4.3.4.1 Obiekt b a d a ń ... 83

4.3.4.2 Przebieg b a d a ń ... 83

4.3.4.3 W yniki b a d a ń ... 85

4.3.5 W pły w odchyłek m o n ta ż o w y c h ... 96

4.3.5.1 Obiekt b a d a ń ... 96

4.3.5.2 Przebieg b a d a ń ... 96

4.3.5.3 W yniki b a d a ń ... 98

4.3.6 W pływ sm arow ania ...106

4.3.6.1 Obiekt b a d a ń ...106

4.3.6.2 Przebieg b a d a ń ... 107

4.3.6.3 W yniki b a d a ń ... 107

4.3.7 W pływ sposobu sm a ro w a n ia ... 112

4.3.7.1 W yniki b a d a ń ... 112

4.3.8 W p ły w rodzaju oraz te m p e ra tu ry pracy o l e j u ... 117

4.3.8.1 Przebieg b a d a ń ...117

4 .3.8.2 W yniki b a d a ń ... 117

4.3.9 W pły w zanieczyszczenia o l e j u ... 123

4.3.9.1 Przebieg b a d a ń ...123

4.3.9.2 W yniki b a d a ń ...124

4.3.10 W pływ sztywności korpusów k ó ł ... 127

4.3.10.1 O biekt b a d a ń ... 127

4.3.10.2 Przebieg b a d a ń ...127

4.3.10.3 W yniki b a d a ń ...128

4.3.11 W p ły w m etody n acinania uzębienia ...130

4.3.11.1 Omówienie wyników b a d a ń ... 130

4.3.12 W pływ klasy dokładności w ykonania k ó ł ...134

4.3.12.1 Omówienie wyników b a d a ń ... 134

4.3.13 O cena błędów p o m ia ro w y c h ...136

4.3.14 Uwagi k o ń c o w e ... 138

5 M o d e l d y n a m i c z n y p r z e k ł a d n i z ę b a t e j s to ż k o w e j 140 5.1 M odele dynam iczne przekładni z ę b a t y c h ... 140

5.2 M odel dynam iczny przekładni s to ż k o w e j... 147

5.2.1 M odel f iz y c z n y ...147

5.2.2 M odel m atem atyczny ... 150

Spis treści 5 6 B a d a n ia m o d e lo w e z ja w isk d y n a m ic z n y c h w p r z e k ła d n i s to ż ­ k ow ej 155 6.1 W pływ niektórych param etrów n a obciążenie dynam iczne prze­ kładni s t o ż k o w e j ... 155

6.1.1 W ybór funkcji definiujących przebieg sztywności za­ zębienia i tłu m ien ia n a odcinku p r z y p o r u ... 156

6.1.2 W pływ prędkości obwodowej k ó ł ...159

6.1.3 W pływ sztywności z a z ę b ie n ia ... 163

6.1.4 W pływ sztywności korpusów k ó ł ...165

6.1.5 W pływ tłu m ie n ia ...167

6.1.6 W pływ luzu m ię d z y z ę b n e g o ...170

6.2 W eryfikacja m odelu dynam icznego przekładni stożkowej . . . 172

6.2.1 Porów nanie wpływu prędkości obwodowej k ó ł ...173

6 .2.2 Porów nanie wpływu sztywności korpusów k ó ł ...174

6.2.3 Porów nanie wpływu luzu m iędzyzębneg o... 175

6.3 Uwagi k o ń c o w e ...175 7 P o d s u m o w a n ie i w n io sk i k o ń c o w e 178 P r z e w id y w a n e k ieru n k i d a lsz y c h b a d a ń 187

L ite r a tu r a 188

S tr e s z c z e n ia 202

C o n te n t s

L ist o f d e s ig n a tio n s 13

1 I n t r o d u c t io n 17

2 J u s t if ic a t io n o f th e p u r p o s e fu ln e s s o f th e t h e m e o f th e w o rk 21 2.1 D ynam ics of th e bevel gears in th e light of the h ith erto con­

du cted s tu d ie s ... 22

2.2 Bevel gears in drives of m ining m a c h in e s ... 25

3 O b j e c t , s c o p e a n d th e s is o f t h e w o r k 39 4 E x p e r im e n t a l t e s t s o f d y n a m ic a l p h e n o m e n a in th e b e v e l g e a r s 43 4.1 M ethods of t e s t ... 44

4.2 T est s t a n d ... 46

4.3 Influence of the constructional and technological param eters an d th e service conditions over th e dynam ics of the bevel gears 53 4.3.1 Influence of th e p erip heral speed of w h e e ls ... 53

4.3.1.1 Subject of t e s t ... 53

4.3.1.2 Course of te st ... 54

4.3.1.3 Findings of t e s t ... 55

4.3.2 Influence of s ta tic load o f m e s h i n g ... 64

4.3.2.1 Subject of t e s t ... 64

4.3.2.2 Course of te s t ... 65

4.3.2.3 Findings of te s t ... 65

4.3.3 Influence of the angle of inclination o f the to o th ’s line 76 4.3.3.1 Subject of t e s t ... 76

4.3.3.2 Course of test ... 76

Spis treści 7

4 .3 .3 .3

Findings of test ...

76

4 .3 .4

Influence of the pitch p l a y ...

83

4 .3 .4 .1

Subject of t e s t ...

83

4 .3 .4 .2

Course of test ...

83

4 .3 .4 .3

Findings of test ...

85

4 .3 .5

Influence of th e assembly d e v i a t i o n s ...

96

4 .3 .5 .1

Subject of t e s t ...

96

4 .3 .5 .2

Course of test ...

96

4 .3 .5 .3

Findings of test ...

98 4 .3 .6

Influence of lubrication ...

10 6 4 .3 .6^.1

Subject of t e s t ...

10 6 4 .3 .6 .2

Course of test ...

1 0 7 4 .3 .6 .3

Findings of test ...

10 7 4 .3 .7

Influence of the m ethod of l u b r i c a t i o n ...

^{1 1 2}

4 .3 .7 .1

Findings of test ...

1 1 2 4 .3 .8

Influence of the kind of oil and. of its working te m p e ­

ra tu re

1 1 7

4 .3 .8^.1

Course of test ...

1 1 7 4 .3 .8 .2

Findings of test ...

1 1 7 4 .3 .9

Influence of oil’s i m p u r i t i e s ...

1 2 3 4 .3 .9 .1

Course of test ...

1 2 3 4 .3 .9 .2

Findings of test ...

1 2 4 4 .3 .1 0

Influence of the wheel’s fram e r i g i d i t y ...

1 2 7 4 .3 .1 0 .1

Subject of t e s t ...

1 2 7 4 .3 .1 0 .2

Course of test ...

1 2 7 4 .3 .1 0 .3

Findings of test ...

1 2 8 4 . 3 . 1 1

Influence of the m ethod of the te e th ’s c u t t i n g ...

13 0 4 . 3 . 1 1 . 1

Findings of test . . . ...

13 0 4 .3 . 1 2

Influence of th e precision of m eshing perform ance . . .

1 3 4

4 .3 . 1 2 . 1

Findings of test ...

13 4 4 .3 .1 3

E stim ation of m easuring f in d in g s ...

13 6 4 .3 .1 4

Final r e m a r k s ...

1 3 8

5 D y n a m ic m o d e l o f a b e v e l g e a r 140

5 .1

D ynam ic models of toothed g e a r s ...

14 0 5 .2

D ynam ic model of a bevel g e a r ...

1 4 7 5 .2 .1

Physical m o d e l ...

1 4 7 5 .2 .2

M athem atical m o d e l ...

15 0

8

Spis treści

6 M o d e l t e s t s o f d y n a m ic a l p h e n o m e n a in t h e b e v e l g e a r s 155 6.1 Influence of some chosen factors over th e dynam ic load of

bevel g e a r ...155

6.1.1 T h e choice of function defining th e course of m esh rigidity and dam ping on th e p a th of c o n t a c t ... 156

6.1.2 Influence of th e peripheral speed of w h e e ls ... 159

6.1.3 Influence of th e change of the te e th ’s rigidity on th e p a th of c o n t a c t ... 163

6.1.4 Influence of th e wheels’ fram es r i g i d i t y ... 165

6.1.5 Influence of dam ping of m e s h i n g ...167

6.1.6 Influence of th e pitch p l a y ... 170

6.2 Verification of th e dynam ic m odel of bevel gears ... 172

6.2.1 C om parison of th e influence of th e p erip h eral speed of w h e e l s ... 173

6.2.2 C om parison of th e influence of th e w heels’ fram es ri­ gidity ... 174

6.2.3 C om parison of th e influence of th e pitch p l a y ...175

6.3 Final rem arks . . . ...176

7 R e c a p it u la t io n an d fin a l c o n c lu sio n s 178 D ir e c t io n s o f fu r th e r in v e s tig a tio n s as fo r e s e e n b y t h e a u th o r 187 R e f e r e n c e s 188 S u m m a r y

²⁰²

Содержание Перечень обозначений

13

1 Введение п 2 Обоснование целесобразности разработки темы 21 2 .1 Д и н ам и к а конических передач по данны м проведенны х до настоящ ево врем ен и и ссл ед о ван и й ... 22

2.2 К онические зубчаты е передачи в приводах горны х м а ш и н ... 25

3 Цель, объём и тезицы работы 39 4 Экспериментальные исследования динамических явлений в конических передачах 43 4 .1 М етоды и ссл е д о в а н и й ... 44

4.2 И сп ы тател ьн ы й с т е н д ... 46

4.3 Влияние конструктивны х и технологических парам етров, а такж е условий эксплуатации на динам ику конических п е р е д а ч ... 53

4.3.1 В лияние окруж ной скорости к о л е с ... 53

4 .3 .1.1 О бъект и с с л е д о в а н и й ... 53

4 .3 .1.2 Х од и с с л е д о в а н и й ... 54

4.3.1.3 Результаты и с с л е д о в а н и й ... 55

4.3.2 Влияние статической н агр узки зубчатово з а ц е п л е н и я ... 64

4.3.2.1 О бьект и с с л е д о в а н и й ... 64

4.3.2.2 Х о д и ссл е д о в а н и й ... 65

4.3.2.3 Результаты и с с л е д о в а н и й ... 65

10 S p is treści

4.3.3 В л и я н и е у гл а н а к л о н а з у б а ... 76

4.3.3.1 О б ъ е кт и с с л е д о в а н и й ... 76

4.3.3.2 Х о д иссл ед о ван и й ... 76

4.3.3.3 Р е зу л ь т а ты и с с л е д о в а н и й ... 76

4.3.4 В л и я н и е за зо р а м еж ду з у б ь я м и к о л е с ... 83

4.3.4.1 О б ь е к т и с с л е д о в а н и й ... 83

4.3.4.2 Х о д и с с л е д о в а н и й ... 83

4.3.4.3 Р е зу л ь т а ты и с с л е д о в а н и й ... 85

4.3.5 В л и я н и е м о н т а ж н ы х п о г р е ш н о с т е й ... 96

4.3.5.1 О б ь е к т и с с л е д о в а н и й ... 96

4.3.5.2 Х о д и с с л е д о в а н и й ... 96

4.3.5.3 Р е зу л ь т а ты и с с л е д о в а н и й ... 98

4.3.6 В л и я н и е с м а з к и ... 106

4.3.6

.1

О б ь е к т и с с л е д о в а н и й ... 106

4.3.

6

.2 Х о д и с с л е д о в а н и й ... 107

4.3.6.3 Р е зу л ь та ты и с с л е д о в а н и й ... 107

4.3.7 В л и я н и е р а зн ы х с п о с о б о в с м а зк и п е р е д а ч ...

112

4.3.7.1 Р е зу л ь та ты и с с л е д о в а н и й ... 112

4.3.8 В л и я н и е т и п а и т е м п е р а т у р ы с м а зо ч н о в о м а с л а 117 4.3.8.1 Х о д иссл ед ован ий ... 117

4.3.8

.2

Р е зу л ь та ты и с с л е д о в а н и й ... 117

4.3.9 В л и я н и е загр язн ен и я с м а з о ч н о го м а с л а ... 123

4.3.9.1 Х о д и с с л е д о в а н и й ... 123

4.3.9.2 Р е зу л ь та ты и с с л е д о в а н и й ... 124

4.3.10 В л и я н и е ж ё стк ости д и с к а к о л е с а ... 127

4.3.10.1 О б ь е к т и с с л е д о в а н и й ... 127

4.3.10.2 Х о д и с с л е д о в а н и й ... 127

4.3.10.3 Р е зу л ь та ты и с с л е д о в а н и й ... 128

4.3.11 В л и я н и е м етодов з у б о н а р е з а н и я ... 130

4.3.

11.1

О тсуж д ен и е р е зу л ь т а т о в и с с л е д о в а н и й 130 4.3.12 В л и я н и е т о ч н о с т и и зго то в л е н и я з у б ч а т ы х к о л е с 134 4.3.12.1 О тсуж д ен и е р е зу л ь т а т о в и с с л е д о в а н и й 134 4.3.13 О ц е н к а п о гр е ш н о с т е й и з м е р е н и й ... 136

4.3.14 К о н е ч н ы е з а м е ч а н и я ... 138

5 Д и н а м и ч е с к а я модель к о н и ч е с к о й з у б ч а т о й передачи 140 5.1 Д и н а м и ч е с к и е модели з у б ч а т ы х п е р е д а ч и ... 140

5.2 Д и н а м и ч е с к а я модель к о н и ч е с к о й п е р е д а ч и ... 147

5.2.1 Ф и з и ч е с к а я м о д е л ь ... 147

5.2.2 М а т е м а т и ч е с к а я м о д е л ь ... 150

S p is treści 1 1

6 Модельные исследования динамических явлений в конической передачи 155 6

.1 В л и я н и е и зб р а н н ы х ф а к т о р о в н а д и н ам и ческую н а гр у зк у к о н и ч е с к о й п е р е д а ч и ... 155

6.1.1 И з б р а н и е ф у н к ц и и р а зв и ти я ж ёсткости зубьев и д е м ф и р о в ан и я на участке за ц е п л е н и я ... 156

6.1.2 В л и я н и е о к р у ж н о й с к о р о сти к о л е с ... 159

6

.1.3 В л и я н и е ж ё стк о с ти з у б ь е в ... 163

6.1.4 В л и я н и е ж ё стк о сти д и ск а к о л е с ... 165

6.1.5 В л и я н и е д е м ф и р о в ан и я в з у б ч а т о й з а ц е п л е н и и 167

6

.1

.6

В л и я н и е за зо р а м еж ду з у б ь я м и к о л е с ... 170

6.2 В е р и ф и к а ц и я д и н а м и ч е с к о й модели з у б ч а т о й к о н и ч е с к о й п е р е д а ч и ... 172

6.2.1 С о п о с т а в л е н и е в л и ян и я о к р у ж н о й с к о р о с т и к о л е с ... 173

6.2.2 С о п о с т а в л е н и е в л и ян и я ж ёсткости д и с к а к о л е с ... 174

6.2.3 С о п о с т а в л е н и е за зо р а между з уб ь я м и кол ес... 175

6.3 К о н е ч н ы е з а м е ч а н и я ... 176

7 Выводы и предложения 178

Направления дальнейших исследований 187

Литература 188

Резюме 202

Z e sta w w a ż n ie jsz y c h o z n a c z e ń

b - szerokość wieńca zębatego cv(t) - sztywność zazębienia cVo - średnia sztywność zazębienia

Cx,y,z i - sztywność łożyska i walu łącznie , - sztywność skrętna wału

cy i - sztywność tarczy koła

dm i - średnica podziałowa w połowie szerokości wieńca zębatego f o - częstotliwość rezonansowa

f z - częstotliwość zazębiania się zębów k v (t) - współczynnik tłum ienia drgań zazębienia kx,y,z i - współczynnik tłum ienia drgań łożyska i wału kil> i ~ wpólczynnik tłum ienia drgań skrętnych wału k-y , - współczynnik tłum ienia drgań tarcz kół K g - wskaźnik gotowości obiektu

Kdp - współczynnik sił dynamicznych wyznaczony w wyniku pom iaru przyspieszeń drgań skrętnych kół

Kdt - współczynnik sił dynam icznych wyznaczony w wyniku pom iaru odkształceń zębów

fi'dm - współczynnik sił dynam icznych wyznaczony m etodą num eryczną l,i - długość śladu współpracy zębów

lz - całkow ita długość linii zęba

14 Z e s t a w w a żn iejszych o z n a c z e ń

L - luz obwodowy

L w - w artość względna luzu obwodowego m - m oduł czołowy zęba

m , - sum aryczna m asa kola i w ału M d - m om ent dynam iczny

M , - m om ent statyczny n i ~ prędkość obrotow a koła

N dP - nadw yżka dynam iczna w yznaczona w w yniku pom iaru przyspieszeń drgań sk ręt­

nych kół

Ndt ~ nadw yżka dynam iczna w yznaczona w wyniku pomiaru odkształceń zęba N j t - nadw yżka dynam iczna w yznaczona w wyniku pomiaru odkształceń zęba, w przy­

padku gdy przekładnia nie b y ła sm arow ana

Pn - siła całkow ita d ziałająca na zęby koła (kierunek normalny) Pa - siła osiowa

Po - siła obwodowa PT - siła prom ieniowa

r m 1,2 - prom ień koła podziałowego w połowie szerokości wieńca zębatego s - odchylenie standardow e

u - przełożenie przekładni Kn - prędkość obwodowa kół

Knr - prędkość rezonansowa przekładni

X di - m aksym alna wartość sygnału z tensom etru przy obciążeniu całkowitym - m aksym alna wartość sygnału z tensom etru przy obciążeniu quasi-statycznym zi - liczba zębów koła

Z u - zasób pracy ustalonej

Q - wskaźnik obciążenia jednostkow ego

cton - kąt przyporu w płaszczyźnie norm alnej n a średnicy podziałowej koła

Z e s t a w w a żn ie jszy c h oznaczeń 15

Pm kąt pochylenia linii zęba n a średnicy podziałowej koła w połowie szerokości wieńca zębatego

7i - kąt obrotu tarczy koła w płaszczyźnie przechodzącej przez oś jego obrotu 6i - kąt stożka podziałowego koła

Aa - odchyłka kąta osi przekładni (nieprostopadłość osi) A w - odchyłka odległości osi przekładni

A y - osiowe przesunięcie wieńca zębatego koła A z - osiowe przesunięcie wieńca zębatego zębnika

© j - średni zasób pracy 0 U - średni czas pracy

0^, i - masowy moment bezwładności wyznaczany w odniesieniu do osi obrotu koła

©7 , - masowy moment bezwładności wyznaczany w odniesieniu do osi prostopadłej, do osi obrotu koła i przechodzącej przez środek jego ciężkości

A - ugięcie zęba

A0 - ugięcie zęba przy obciążeniu statycznym v - lepkość kinematyczna oleju

i>i - kąt skręcenia koła w płaszczyźnie prostopadłej do osi jego obrotu w, - prędkość kątowa kół

u>(t) - p aram etr strum ienia uszkodzeń

* = 1.2 - liczby przypisujące określone oznaczenia dla zębnika (1) i koła (2)

W p ro w a d z e n ie

1

Przekładnie zębate są najbardziej rozpowszechnione sp ośród prze kład ni m echanicznych stosow anych w u k ła d a ch napędow ych m aszyn. C h a r a k te ry ­ zują się one przede w szystkim d u ż ą spraw nością, gó ru jąc p o d ty m w zglę­

dem nad in n y m i p rze kła d n iam i m echanicznym i. W związku z pow szechnym stosow aniem przekład ni zębatych praw ie we w szystkich gałęziach prze m y słu przepływ a przez nie w iększość w yprodukow anej w świecie energii, stąd o p ła ­ calność stosow ania tych p rze kład ni ze względu na dużą ich spraw ność jest bezsporna. P o n a d to — porów n ując przekładnie zębate z in n y m i p rz e k ła d ­ n iam i m echanicznym i — ła tw o zauw ażyć, że zastosowanie tych pierw szych u m ożliw ia budow ę u k ład ó w napędow ych odznaczających się m a ły m i w y m ia ­ ram i ga b a ry to w y m i, a tym sa m y m i m niejszym ciężarem. W y m ie n io n e cechy charakteryzujące przekładnie zębate są w szczególności ważne w p rz y p a d k u m aszyn pracujących w przem yśle górniczym .

P rz e glą d ając nowoczesne konstrukcje przekładni zębatych m o ż n a z au w a ­ żyć tendencje stosow ania k ó ł o m nie jszym m odule zębów przy jed noczesnym wzroście ich liczby — zachow ując tę sa m ą średnicę koła. P rz y jm u ją c takie rozwiązanie uzyskuje się m iędzy in n y m i zmniejszenie strat energii sp o w o d o ­ w anych tarciem , w zrasta p ły n n o ść p racy przekładni, m aleją stra ty m a te ria łu przy nacinaniu zębów. Jednak zastosow anie takiego rozw iązania w y m a g a zw rócenia szczególnej uw agi n a spełnienie w arunku dostatecznej w y tr z y m a ­ łości zębów kól n a złam anie. M a j ą c powyższe na uwadze podejm ow ane są różne zabiegi, m iędzy in n y m i n a wieńce zębate stosow ane są stale o w y so ­ kich w łasnościach w ytrzy m ało ścio w y ch , ja k również dąży się do zm niejszenia

18 1. W p r o w a d z e n ie

efektu spię trzen ia naprężeń u p o d sta w y zęba. Jed nym z ważniejszych poczy­

na ń zm ierzających również w ty m kierunku jest zmniejszenie międzyzębnej siły d yn am icz n e j, co m a ścisły związek z p o d ję tym tem atem pracy.

W zw iązku z pow szechnością stosow ania p rzekładni zębatych istotne z na­

czenie, oprócz w ym ienionych już kierunków d ziałan ia, m a również ich trw a ­ łość, sp raw n o ść, skuteczność i niezaw odność pracy. Zn aczący w p ły w na w y ­ m ie nione cechy m a ją procesy dynam iczne zachodzące w tych przekładniach.

N ie zaw sze p oziom tych cech jest zadow alający. P rz y k ła d e m tego m o g ą być inform acje źródłow e pochodzące z z ak ład ów napraw czych oraz z raportów o d d z ia łó w m asz yn o w y ch kopalń w ęgla kam iennego, które wskazują, iż prze­

k ła d n ie zębate u le g a ją bard zo często aw ariom , co naru sza stan zdatności do p ra cy ca łe g o zespołu napędow ego m aszyny.

A n a liz u ją c zebrane m a te ria ły o aw aryjności przekładni zębatych p ra ­ cujących w przem yśle gó rn iczym — obszernie przedstaw ione i om ówione w d ru g im rozdziale pracy — stwierdzono, że je d nym z najbardziej zaw od­

nych p o d z e sp o łó w tych przekładni jest stopień stożkowy.

N ie z a d o w a la ją c y stan wiedzy z zakresu d y n a m ik i przekładni zębatych stożkow ych oraz problem y związane z ich e ksploatacją sk ło n iły a u to ra do p o d ję cia b a d a ń m a ją cych n a celu określenie w p ły w u niektórych czynników n a sta n d y n a m ic z n y tych przekładni. W b ad aniach uw zględniano między in n y m i specyficzne w aru n ki panujące pod ziem ią podczas u ra b ia n ia i tra n s­

p o r tu w ę gla kam iennego, m ogące mieć ujem ny w p ły w n a pracę przekładni.

D o w a ru n kó w tych zaliczyć należy:

— p o d w y ż sz o n ą tem peraturę otoczenia,

— częsty rozruch, ja k i w ystępow anie chwilowych przeciążeń, co kw alifi­

kuje p rze kład nię do obiektów silnie obciążonych oraz pow oduje znaczne w a h a n ia te m p e ratu ry jej pracy,

— duże stężenie p y łu w otoczeniu pracujących m aszyn , a stąd m ożli­

w ość, w w y n ik u w ahań tem peratury przekładni, przedostaw ania się zanieczyszczeń do jej wnętrza,

— n iekorzystne nachylenie przekładni, co może być przyczyną niepraw i­

d ło w e go sm a ro w an ia kół.

N a le ż y ró w n ież p o d k reślić i to , że m a ją c n a w zględ zie g a b a ry ty n apędu i jeg o u s y tu o w a n ie w w yrob isk u gó rn iczy m , za sto so w a n ie w przek ład n iach p racu ­ ją c y c h w u k ła d a c h n ap ęd o w y ch m a szy n górn iczych sto p n ia sto żk o w eg o je st

W p r o w a d z e n i e 19

w wielu przypadkach bardzo korzystne, a wręcz konieczne. S tą d w y e lim in o ­ w anie w tych przekładniach kół stożkow ych jest nieracionalne. Z a te m zach o­

dzi konieczność p o p raw y ich d o b ro ci1.

R o z w ó j nowoczesnych m aszyn i urządzeń — w tym również g ó rn i­

czych — spow od ow ał rozszerzenie w y m a g a ń staw ianych przekładniom . Śle ­ dząc literaturę techniczną m ożna zauważyć, że w wielu ośrodkach b a d a w ­ czych prow adzone są od szeregu lat intensyw ne prace m ające na celu p o d ­ wyższenie dobroci przekładni zębatych. N a dobroć przekładni m a ją w p ły w liczne decyzje, które podejm owane są w każdej fazie jej bytu, m ianow icie:

kon struo w an ia, w ytw arzania, eksploatacji i rem ontu. Podejm ow anie o d p o ­ wiednich decyzji m a ścisły związek ze znajom o ścią w p ły w u param etrów k o n ­ stru kcyjnych i technologicznych oraz w arunków eksploatacyjnych n a o b c ią ­ żenie całkow ite przekładni. W ie lkość obciążenia całkow itego zależy od sił statyczn ych i dynam icznych. B a d a n io m przyczyn pow staw an ia sił d y n a m ic z ­ nych w przekładni zębatej stożkowej i sku tkó w ich d z ia łan ia pośw ięcona jest niniejsza praca.

P rz e k ła d n ia zębata połączona sprzęgłam i z silnikiem napę do w ym i m a ­ sz y n ą rob oczą tw orzy układ elementów sprężystych o określonych m asach , które przy pob u dzaniu ulegają d rgan iom . P rzyczyn y p ow staw an ia d rgań , czyli pobudzenia, m o g ą pochodzić od źródeł zewnętrznych, np. siln ik a czy m a sz y n y roboczej, ja k i źródeł wewnętrznych przekładni. K o n s tr u k to r prze­

k ła d n i zazw yczaj nie m a w pływ u n a ź ró d ła zewnętrzne. N a to m ia st m oże w znacznym stopniu, poprzez dobór odpow iednich param etrów k o n str u k ­ cyjnych i technologicznych przekładni, ograniczyć w p ły w źródeł w ew nętrz­

nych, a ty m sa m y m zredukować m iędzyzębne siły dynam iczne. N ale ży ró w ­ nież w spom nieć o tym , że częstotliwość pobudzeń pochodzących od źródeł wewnętrznych jest na ogół znacznie w yższa od częstotliwości pobu dzeń ze źródeł zewnętrznych. Stąd, ze względu n a dyn am ikę przekładni, większe znaczenie przypisuje się źródłom wewnętrznym , toteż zakres tem atyczny n i­

niejszej p racy obejmuje głów nie te zjaw iska dynam iczne, o istnieniu k tó ry ch d ecyd u ją przyczyny znajdujące się w ew nątrz przekładni.

N ie w szystkie przyczyny pow odujące w zbudzanie d rgań m echanicznych m ające swe źró d ło wewnątrz przekładni, ja k i okoliczności tow arzyszące ty m d rg a n io m z o stały dostatecznie poznane. Podjęte b a d a n ia m a ją n a celu zdo-

'W e d łu g prac [22, 99] dobroć obiektu je st to jego właściwość decydująca o pozio­

mie różnych form korzyści, jakie może dać obiekt jego producentowi, użytkownikowi, ja k i gospodarce narodowej. W ogólnym przypadku dobroć obiektu zależy od zbioru cech technicznych, ekonomicznych, ergonomicznych i innych.

20 1. W p r o w a d z e n i e

bycie nowej i poszerzenie już istniejącej wiedzy w dziedzinie d y n a m ik i prze­

k ła d n i zębatych, a w szczególności przekładni stożkowych.

W p ra c y p o m in ię to szereg spraw w yczerpująco przedstaw ion ych w in ­ nych ogó ln ie dostępn ych opracow aniach z zakresu d y n a m ik i p rze k ła d n i zę­

b aty ch . Jeżeli w niektórych m iejscach nadm ienion o o spraw ach znanych, to ty lk o n a tyle, n a ile uzn an o za niezbędne w celu zachow ania cią g ło ści rozu­

m ow an ia .

2

U z a s a d n ie n ie c e lo w o śc i p o d ję c ia te m a tu p ra cy

P rzekładn ię, podobnie ja k i inne urządzenia techniczne, m ożn a ocenić poprzez określenie jej własności. W ła sn o śc i te m o g ą b y ć niepożądane (duży ciężar, duże gabaryty, w ysoki koszt p rod ukcji) lub pożądane (dostateczn a trw a ło ść i niezawodność, w ysoka spraw ność i inne). M a j ą c n a uw adze w y­

m a g a n ia staw iane konstruowanej przekładni, poznanie w p ły w u p aram etrów kon strukcyjnych i technologicznych oraz w aru nków e ksp loatacyjn ych n a w ar­

tość m iędzyzębnego obciążenia dynam icznego u m o ż liw ia trafniejszy dobór tych p aram etrów ze względu na spełnienie staw ian ych przed nią zadań.

A b y konstruow ane m aszyny czy m echanizm y, w ty m również prze kła d ­ nie zębate stożkowe, sp e łn iały założone w y m a ga n ia , niezbędne jest uściślenie procedu ry podejm ow ania decyzji i p oszu kiw an ia o p ty m a ln e g o rozw iązania konstrukcyjnego. D o tego celu w ykorzystać m o ż n a m e tod y optym alizacyjne.

W ia d o m o , że p o d sta w ą optym alizacji jest określenie funkcji celu, k tó ra sta ­ nowi zarazem kryterium optym alizacji. P o sta ć tej funkcji w znacznej mie­

rze decyduje o w yborze odpow iedniego a lg o ry tm u optym alizacyjn ego. Im więcej m a m y inform acji o funkcji celu, ty m użyteczniejszy staje się proces optym alizacji. Trzeba zarazem pam iętać, że w istocie nie m o ż n a zrealizować kon strukcji technicznej ściśle w edług w skazań proce du ry optym alizacyjnej, m iędzy in n y m i ze względu na błędy wykonawcze, o d c h y łk i m ontażow e i nie­

przew idziane okoliczności towarzyszące eksploatacji. D la te g o w zastosow a­

niach technicznych ważne jest nie tylko znalezienie p u n k tu optym aln ego,

22 2. U za sa d n ien ie c e lo w o śc i p o d j ę c i a t e m a t u p r a c y

ale również zbadanie zachow ania się funkcji celu w otoczeniu tego pun ktu . N a le ż y pod kreślić, że projektując p rze kład nię zazw yczaj trzeba spełnić nie jedno, lecz p rzyn ajm n iej kilka kryteriów jednocześnie, a więc jest to p ro ­

ces w ielokryterialny. K onieczność w yb oru je d ne go rozw iązania spośród ca­

łe go zbioru rozw iązań polioptym alnyc.h sta w ia przed kon struktorem trudne zadanie. T rze b a w spom nieć, że we w szystkich znanych m etodach poliopty- m alizacji w y b ó r najlepszego rozw iązania k o n stru k cyjn e go dokon yw any jest w sp o só b su b ie kty w n y [99]; jest to więc w y b ó r decyzyjny.

P rz y to czo n e uw agi w skazują n a ciągle istn ie jącą potrzebę zd obyw ania nowej i p o g łę b ia n ia ju ż istniejącej wiedzy o w p ły w ie różnych czynników na d o b ro ć prze kład n i, w tym m iędzy in n y m i n a jej stan dynam iczny, a ty m sa m y m n a obciążenie całkowite.

2 .1 D y n a m ik a p r z e k ła d n i s to ż k o w y c h w ś w ie t le d o ty c h c z a s o w y c h b a d a ń

P o d sta w o w y m zadaniem k o n stru k to ra je st d ob ór odpow iednich p a ra ­ m e trów kon stru k cyjn ych i technologicznych cechujących przekładnię. P rz y doborze tych p aram etrów należy przede w sz y stk im m ieć n a uwadze: fu n k­

cjonalność p rze kład ni, niezaw odność i trw a ło ść, ciężar, koszty w y kon an ia i e ksploatacji, g a b a r y ty przekładni i całej m a sz y n y (łącznie z p rze kład nią) oraz technologiczność. W y m ie n io n e czyn n iki ch arakte ryzują przekładnię ze w zględu n a jej dobroć.

D o b r o ć prze kład n i wiąże sie ściśle z o p ty m a liz a cją stanu obciążenia. Jak ju ż w sp o m n ian o , n a obciążenie całkow ite p rze kła d n i sk ła d a ją się siły sta ­ tyczne i dynam iczne. P od aw ane w literaturze m e tod y obliczeniowe, służące do w y z n a cza n ia w artości obciążenia d yn am iczne go , b u d z ą zazwyczaj najw ię­

cej w ątpliw ości. W y n ik a to stąd, że w zalecanych m etodach uwzględniane s ą ty lk o niektóre czynniki m ające w p ły w n a procesy dynam iczne zacho­

dzące w prze kład n iach zębatych. Nie uw zglę d n ia się m iędzy innym i w p ły w u n a sta n d yn am icz n y przekładni sposob u sm a ro w a n ia kół, elastoh ydrod yna- m icznej w łaściw ości w arstw y oleju znajdującej się m iędzy pow ierzchniam i w sp ó łp ra cu ją cy ch zębów, u k sz ta łto w an ia k orp u sów kół oraz stanów rezo­

n an so w ych . W wielu przypadkach w yn iki uzyskane w oparciu o te m etod y nie są zadow alające; w szczególności odnosi się to do przekładni stożkowych.

Ś w iatow e i krajow e piśm iennictw o techniczne poświęcone analizie p ro ­ cesów d yn am iczn ych zachodzących w prze kład n iach jest bardzo obszerne.

2.1. D y n a m i k a p r z e k ł a d n i s t o ż k o w y c h w św ietle. 23

A n a liz a tych procesów o p a rta jest n a w ynikach uzyskanych z b ad a ń d o św ia d ­ czalnych i teoretycznych. W podejm ow anych badaniach sta ra n o się w ykazać, jaki w p ły w jakościow y i ilościow y n a dyn am ikę przekładni m a ją takie czyn­

niki, jak: od ch yłki w ykonaw cze kół [1, 48, 55, 147], o d ch y łk i z arysu zęba pow stałe w w yn iku zużycia [18, 107, 145], błędy m ontażow e [57, 104, 107], m odyfikacja zarysu zęba [33, 34, 37], wskaźnik przyp oru czołow y i posko- kowy [39, 72, 73], w zajem ne o d d ziaływ an ie kół jednego sto p n ia prze kład n i na k o ła drugiego sto p n ia [156], tłum ienie d rgań m echanicznych [96, 107, 147], luz m iędzyzębny [17, 147], ch arakte rystyk a sprężysta zazębienia [41, 55, 58, 59, 105, 143, 147], prędkość obw odow a kół [20, 21, 38, 76, 102, 103, 144, 148], obciążenie [44, 56, 110, 144] oraz sztyw ność korpusu k ó ł [45].

Jak widać, te m a ty k a tych prac jest bardzo obszerna. Jednak należy podkreślić, że w p ły w y w ym ienionych czynników n a przebieg zjaw isk d y n a ­ m icznych zachodzących w przekładniach zębatych są nieskończenie złożone;

m ożna je ro zp atryw ać w różnych aspektach, które w zależności od przezna­

czenia przekładni m a ją różną wagę, stąd m im o tak licznych b ad a ń ich w p ły w na stan d yn am icz n y przekład ni nie został dostatecznie poznany. Ś w iad cz ą o ty m aktu aln ie podejm ow ane w różnych ośrodkach badaw czych prace z tego zakresu oraz ciągle pow stające nowe zespoły badawcze zajm ujące się proble­

m a ty k ą przekładni zębatych (np. C e n tru m K o n stru k cji i Technc^ogii Prze­

k ła d n i Stożkow ych, p ow stałe w W arszaw ie w 1993 roku).

N ale ży w spom nieć, że b ad an ia, których w yniki przedstaw ione są w w y ­ m ienionych pracach, prow adzone b y ły d la przekładni zębatych w alcow ych o zazębieniu zew nętrznym i wew nętrznym . Ze względu n a znaczną ilość tych prac, szeroki ich zakres, łatw ość dostępu do literatury, w której są one o p u ­ blikowane, ja k również n a to, że w obszarze zainteresowań realizow anego te­

m a tu zn a jd u ją się przekładnie stożkowe, zrezygnow ano z p rzy tacz a n ia w n i­

niejszym opracow aniu w yników b ad a ń przedstaw ionych w tych pracach. Z a ­ interesow anym tą te m a ty ką poleca się prace [78, 79], w których syntetycznie przedstaw iony jest dotychczasow y stan wiedzy z tego zakresu.

P rz e glą d ając literaturę techniczną m ożna zauważyć, że przekładnie stoż­

kowe w p orów n an iu z w alcow ym i stan ow ią obiekt mniej zbadany. D o ty c z y to w szczególności zjaw isk dyn am icznych w yw ołanych przyczyn am i wewnętrz­

nym i. W ukazujących się z tego zakresu publikacjach [80, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 119, 121, 122, 123] w większości przedstaw iane b y ły w yniki b ad ań eksperym entalnych. S ta ra n o się w nich wykazać, ja k i w p ły w m a ją niektóre czynniki n a stan d yn am iczn y przekładni stożkow ych. W y n ik i b a ­ dań zaw arte w tych pracach przedstaw ione i om ów ione z o stan ą w dalszej

24 2. U za sa d n ie n ie celowości p o d j ę c i a t e m a t u p r a c y

części niniejszego opracow ania. N a le ży w spom nieć, że p rac teoretycznych z zakresu d y n a m ik i p rze kła d n i stożkow ych jest niewiele. W y m ie n ić tu m o ż n a prace [53, 54, 142], lecz pom ijane są w nich problem y związane z w p ły w e m czynników w ew nętrznych.

W p rak tyce o d czu w a się b ra k w ystarczającej wiedzy n a tem at zjaw isk d y ­ n a m icz n y ch w y w o ła n y ch p rzy cz y n a m i wewnętrznym i, zachodzących w prze­

k ła d n ia c h stożkow ych. N a le ży podkreślić, że geom etria k ó ł stożkow ych różni się znacznie od geom etrii k ó ł w alcow ych. D la te g o przyjęcie założenia, że zja­

w iska d yn am iczn e zachodzące w przekładniach walcowych m ożn a odnieść d o p rze k ła d n i stożkow ych, bez przeprow adzenia bad ań tych ostatnich , jest problem atyczne. T rze b a również nadm ienić, że niedostateczny stan wiedzy z zakresu d y n a m ik i prze kład n i stożkow ych sk ła n ia kon struktorów tych prze­

k ła d n i do p rz y jm o w a n ia — n a etapie ich projektow an ia — w iększych w s p ó ł­

czyn n ików bezpieczeństw a niż d la prze kład ni walcowych, co p o c ią g a za sobą, w zw iązku z pow szechnością sto so w a n ia przekładni stożkow ych w różnych gałęziach prze m ysłu , duże stra ty ekonomiczne. N a p rzy kła d , w p rze m y­

śle g ó rn icz y m prze kład nie z k o ła m i stożkow ym i stan ow ią około Gj% o g ó l­

nego sta n u prze kład n i. P rz e kła d n ie te, o czym już nadm ieniano, p ra cu ją w tru d n ych w arunkach. A n a liz a aw aryjności przekładni zębatych p ra c u ją ­ cych w u k ła d a c h napę do w ych m a sz yn górniczych, której w yniki szczegó­

łow o przedstaw ione z o sta n ą w n a stę p n ym punkcie niniejszego rozdziału, w y k a za ła , że niektóre elementy tych przekładni, a dotyczy to w szczegól­

ności sto p n ia stożkow ego, u le g a ją częstym uszkodzeniom , co jest p rzy cz y n ą znacznego w zrostu kosztów w y d o b y cia kopalin. M o ż n a w yrazić nadzieję, że uzyskane w w y n ik u zaplano w an ych b a d a ń rezultaty przyczynią się m iędzy in n y m i do polepszenia d ob roci tych przekładni.

W y s o k ie te m po rozw oju techniki pow oduje wzrost zapo trze bow ania n a m a sz y n y przenoszące duże obciążenia i pracujące przy dużych prędkościach obroto w ych . W y s t a r c z y w spo m nie ć o m aszynach pracujących w przem yśle gó rn icz y m , h u tn iczym , energetycznym oraz napędzających duże je d n o stk i p ły w a ją ce . W u k ła d a c h napę dow ych tych m aszyn p racu ją przekład nie zę­

bate przenoszące m oc rzędu 100 000 k W [13, 16, 28]. Prędkości obw odow e k ó ł tych prze kład n i prze kraczają niekiedy 130 tn/s. K o ła stożkowe o zębach krz yw o lin io w y ch są z pow odzeniem stosow ane w technice lotniczej [22, 46], gd zie p ra cu ją przy prędkościach obw odow ych dochodzących do 160 m /s . W takich p rzy p a d k ach p rz e k ła d n ia przed osiągnięciem prędkości n o m in aln ej chw ilow o pracuje w zakresach rezonansow ych, stąd duża w a ga proble m ów zw iązanych z d y n a m ik ą tych przekładni.

2.2. P r z e k ł a d n i e z ę b a t e s t o ż k o w e w napędach m a s z y n . 25

W y p a d a również wspomnieć, że k o ła stożkowe są z re g u ły stosow ane na p ie rw szy m sto p n iu przekładni, n azyw an ym często „stopnie m szybkobież­

n y m ” [19, 81], co także brano pod uwagę przy p o d e jm ow aniu te m a tu badań.

2.2 P r z e k ła d n ie z ę b a te s to ż k o w e w n a p ę d a c h m a s z y n g ó r n ic z y c h

W celu p o p ra w y efektywności go sp o d aro w a n ia i ja kości prod ukcji ko­

nieczne jest podejm ow anie ciągłych działań w kierunku d osko n ale n ia kon­

strukcji m a sz y n pracujących w przemyśle gó rn iczym , ja k o je d n y m z n a j­

bardziej energochłonnych. Biorąc pod uw agę rosnące w o statn ich latach (1 9 9 3 /9 4 ) zapotrzebow anie św iata na węgiel i jego p r o d u k ty w y d aje się, że p rze m y sł ten będzie jeszcze przez długi okres m ia ł duże znaczenie w p o l­

skiej go sp od arce . S tą d niezawodność, trw ałość, spraw ność, funkcjonalność, lekkość oraz p o d a tn o ść rem ontow a to zbiór p o d staw o w ych kryteriów , które p o w in n y b y ć uw zględniane przy ocenianiu przy d atn o ści do p racy m a szyn i urządzeń górniczych. D otyczy to zw łaszcza m a sz yn stosow anych do u ra ­ biania, ła d o w a n ia i transportu urobku [3], a w szczególności od nosi się to do p rz e k ła d n i zębatych, które są jednym z najd roższych i najczęściej w ystę­

p u ją cy m p od zesp ołe m w układach napędow ych tych m aszyn . W y m ie n ić tu m o ż n a u k ła d y napędow e kom bajnów ścianow ych oraz ch od nikow ych , ścia­

now ych przen ośników zgrzebłowych, przenośników ta śm ow ych , stru gó w wę­

glow ych, w iertnic itd. Niezawodność ich p racy jest isto tn a w u trz y m a n iu ciąg ło ści p row adzenia robót górniczych.

N a rysu n k ach 2.2.1 -r 2.2.4 przedstaw iono schem aty nie których u k ład ó w napę do w ych m a sz yn górniczych, gdzie zastosow ane są k o ła zębate stożkowe.

W a rt o zw rócić uw agę n a schemat przedstaw iający napęd w y sy p o w y ścian o­

wego p rze n ośnika zgrzebłowego (rys.

2

.

2

.

1

), gdzie pod an e są w y m ia ry całego u k ła d u w p rz y p a d k u zastosow ania przekładni kątow ych i p rze kła d n i o osiach rów no ległych. Porów nu jąc w ym iary gabarytow e tych u k ła d ó w w idać, że je­

den z w y m ia ró w (szerokość) w przypadku prze kład ni kątow ych jest m niejszy o o k o ło 6 0 % .

In fo rm a c je źródłow e pochodzące z z ak ład ów napraw czych oraz z ra p o r­

tów o d d z ia łó w m aszynow ych kopalń wskazują, iż w u k ła d a c h napędow ych m a szyn górn iczych przekładnie zębate są pod zespołe m , k tó re go elementy

26 2. U za sa d n ie n ie celo w o ści p o d j ę c i a t e m a t u p r a c y

R y s . 2.2.1 .Schemat układu napędowego ścianowego przenośnika zgrze­

błowego ilustrujący zastosowanie przekładni o osiach równoległych i przekładni kątowych [167, 168]

F i g . 2 .2 .1 .Schema of the drive system of the wall scraper belt conveyor which illustrates the use of gears with parallel axes and angle gears [167, 168]

2.2. P r z e k ła d n ie z ę b a t e s t o ż k o w e w n a p ę d a c h m a s z y n . 27

/?-" 1465oór/min

R y s . 2.2.2.Schemat układu napędowego ścianowego przenośnika zgrze­

błowego i głowicy struga węglowego [169, 170]

F i g .2 . 2 .2 .Schema of the drive system of wall scraper belt conveyor and the head of coal planer [169, 170]

R y s . 2.2.3.Schemat układu napędowego wiertnicy rozporowej [I7l]

F i g .2 . 2 .3 .Schema of the drive system of drilling rig [ l71]

28 2. U za sa d n ie n ie celow ości p o d j ę c i a t e m a t u p r a c y

Silnik Przekładnia Głowica \

Łożysko baryłkowe Część ruchoma obrotnicy Część stała obrotnicy Łożysko ślizgowe Cylinder podnosienid

Sprzęgło Koło pośrednie

1 stopień U stopień IH stopień przełożenia przełożenia przełożenia

R y s . 2.2.4.Schemat układu napędowego głowic urabiających kombajnu chodnikowego [

12

]

F i g . 2 . 2 . 4 . Schema of the drive system of the heading machine m ining heads [

12

^]

u le g a ją najczęściej uszkodzeniom (a w a rio m ), co naru sza stan zdatności do p ra cy całego ze społu napędow ego m aszyny. M o ż n a przypuszczać, że p rz y ­ czynam i ta k częstych aw arii prze kład ni zębatych są m iędzy innym i:

2.2. P r z e k ł a d n i e z ę b a t e s to ż k o w e w n a p ę d a c h m a s z y n . 29

- p o d w y ż sz o n a tem peratura otoczenia,

- częsty rozruch i występow anie chwilowych przeciążeń,

- w ahanie te m pe ratury pracy przekładni,

- duże stężenie py łu w otoczeniu pracujących m aszyn , a stąd m ożliw ość w w y n iku w ah ań tem peratury przekład ni przedostaw ania się zanie­

czyszczeń do jej wnętrza,

- niekorzystne nachylenie przekładni, co może być. przyczyną nie praw i­

dłow ego sm a ro w an ia kół.

C h c ą c p o praw ić niezaw odność pracy przekładni oraz ich trw a ło ść należy uw zględniać w p ły w wym ienionych czynników n a stan obciążenia już w fazie konstruow ania.

Prze d staw ione w dalszej części tego pu n ktu dane o aw aryjności prze­

k ła d n i zębatych pracujących w układ ach napędow ych m aszyn górniczych [120] zbierano w określonych przedziałach czasowych począw szy od 1974 roku. A n a liz u ją c zebrane inform acje m o ż n a stwierdzić, że do chwili obec­

nej sy tu a c ja dotycząca tego zagadnienia m im o u p ły w u wielu la t nie u le g ła popraw ie.

A n a liz a aw aryjności przekładni zębatych stożkow o-w alcow ych 1, p ra c u ­ jących w u k ład a ch napędow ych przenośników zgrzebłow ych i stru gów , prze­

prow adzon a w 1974 r. [35], w ykazała, że niektóre elementy tych prze kład ni są bardzo p o d atn e n a uszkodzenia. 1 tak, n a ogóln ą ilość 251 zarejestrowanych awarii w okre ślon ym przedziale czasow ym aż 3 0 % stan o w iły uszkodzenia kół stożkow ych, a uszkodzenia łożysk w a łka wejściowego, n a k tó ry m nacięte b y ły zęby k o ła czynnego stopnia stożkowego, stan o w iły 2 6 % . J ak w idać, aż 5 6 % aw arii d o ty cz y ło pierwszego stop n ia przekładni — sto p n ia stożkowego.

P o d o b n ą analizę, ja k opisana wyżej, przeprow adzono również w 1978 roku. W y n ik i tej analizy [124] b y ły bard zo zbliżone do w yników z 1974 roku.

Stw ierdzono, że u d z iał k ó ł stożkowych w awariach, w odniesieniu do o g ó l­

nej ilości 127 zarejestrowanych w określonym przedziale czasow ym , w y n o sił 31,6% , a u d z ia ł uszkodzeń łożysk pierwszego stop n ia (stożkow ego) — 23,6% .

W p racy [132] przedstaw iono w yniki analizy aw aryjności przenośników zgrzebłow ych ścianow ych, któ rą przeprowadzono w oparciu o dane zaw arte w system ie in form acy jn y m „ S C K O M B ” (B y t o m s k a S p ó łk a W ę glo w a). D a n e

’ Jeden ze stopni przekładni — zazwyczaj pierwszy — je st stopniem stożkowym.

30 2. U za sa d n ien ie celowości p o d j ę c i a t e m a t u p r a c y

te d o ty c z y ły aw aryjności przenośników zgrzebłow ych „Ś lą sk 6 7 A ” , „ S a m - son 6 7 A ” oraz „ R y b n ik 73” pracujących w 11 kopalniach w ęgla kam iennego.

W y n ik i tej a n aliz y w y k a za ły także niedostateczną trw ałość p rze kła d n i zę­

b aty ch . W op raco w an iu ty m zw rócono uwagę, że najczęściej u szk od ze n iom u le g a p ierw szy stopień prze kład ni (k tó ry zazw yczaj jest stopnie m sto ż k o ­ w y m ). W ty m p rz y p a d k u uszkodzenia pierwszego sto p n ia sta n o w iły o k o ło 5 0 % w sz y stk ich uszkodzeń przekładni.

W sk a z a n e jest przytoczyć także dane z prac [93, 94], gdzie przedstaw ione są p ro b le m y zw iązane z eksploatacją górniczych przenośników zgrzebłow ych.

W p ra ca ch tych zw rócono uw agę n a fakt, że uszkodzenia prze kład n i sta n o ­ w ią o k o ło 2 0 % uszkodzeń napędów przenośników ścianow ych i o k o ło 3 0 % n a p ę d ó w przenośników podścianow ych. Stw ierdzono również duże ro z p ro ­ szenie w artości w skaźników trw ałości, nawet dla tego sam ego typoszeregu p rze k ła d n i. W pracach tych podkreślono, że najczęściej uszkodzeniom u le ga uzębienie kół. U d z ia ł tych uszkodzeń w globalnej ilości uszkodzeń p rze k ła d n i w y n o si o k o ło 5 0 % , w tym aż 4 5 % to uszkodzenia sto p n ia szybkobieżnego, który, o czy m ju ż w sp o m n ian o, jest stopniem stożkow ym .

W pracach [127, 128], gdzie b ardzo w nikliw ie przedstawione są p ro b le m y zw iązane z e k sp loatacją m a szyn pracujących w kopalniach w ęgla ka m ie n ­ nego, w ykazano , że przekładnie zębate są jednym z najbardziej zaw od nych p o d z e sp o łó w w u k ła d a ch napędow ych tych m aszyn. P o d kre ślo n o ta m , że w o g ó ln y m czasie u su w an ia awarii (dane zebrano w pierw szym p ó łro cz u 1990 r.) u d z ia ł w y n ik a ją cy z uszkodzeń przekładni zębatych w zależności od k o p a ln i stan o w ił:

- w p rz y p a d k u kom b ajn ów ścianow ych — 35 -r 6 0 % ,

- w p rz y p a d k u przenośników zgrzebłow ych — 10 -r 25% .

W p raca ch tych nie w yodrębniono w sposób szczegółow y uszkodzeń k ó ł sto ż ­ kow ych. Jed n ak p rze gląd ając schem aty u k ła d ó w napędow ych, które przed­

staw ion e s ą w tych opracow aniach, widać, że prawie w każdym z nich w y ­ stępuje p a ra stożkow a. Jeżeli weźm iem y pod uwagę, że stopień stożkow y w p rz e k ła d n ia c h stosow anych w górnictw ie występuje w oko ło 6 0 % ich ca­

łej po p u lacji, to m o ż n a sądzić, że ud ział k ó ł stożkowych w aw ariach b y ł znaczący.

P rze p row a d zon e b a d a n ia statystyczne uszkodzeń dużej po p u lacji prze­

k ła d n i zębatych w alcow ych [

6

, 129] w ykazały, że stru k tu ra uszkodzeń jest n a stępu jąca:

2.2. P r z e k ł a d n i e z ę b a t e s t o ż k o w e w n a p ę d a c h m a s z y n . 31

• W przypadku przekładni przem ysłow ych klasycznych:

- uszkodzenia kół zębatych — 6 7 % , - uszkodzenia uszczelnień — 19% ,

— uszkodzenia łożysk tocznych — 14%.

• W p rzyp adk u przekładni turbinow ych szybkobieżnych:

— uszkodzenia kół zębatych — 3 8 % , - uszkodzenia łożysk ślizgow ych —

54

% ,

— uszkodzenia uszczelnień —

8

% .

Jak w idać, i w tym przypadku d om inu ją uszkodzenia k ó ł zębatych (obserw a­

cją nie objęto m aszyn górniczych, a są to zazw yczaj k o ła pierw szego stopnia.

Zebrane przez a u to ra niniejszej pracy m a te ria ły o aw ariach przekładni zębatych, które m ia ły miejsce w latach 1991 i 1992 w trzech w yb ran ych kopalniach w ęgla kamiennego, wykazały, że problem y zw iązane z ich eksplo­

atacją są nadal aktualne. M a te r ia ły te sta n o w iły podstaw ę do w yznaczenia wskaźników charakteryzujących cechy niezawodnościowe prze kład ni b ędą­

cych obiektem obserwacji. W ia d o m o , że w skaźniki te p o z w a la ją w y d ać opinię o tym , n a ile obiekt, w tym przypadku p rze kła d n ia zębata, potw ierd za w ła ­ ściw ą d ziałalność konstruktorów , w ykonaw ców i użytkow ników . N a le ży n a d ­ mienić, że obserw acją objęto

211

przekładni pochodzących z prod ukcji seryj­

nej, zdatnych do eksploatacji w chwili rozpoczęcia b ad a ń ich niezawodności.

P rze kładn ie te pracow ały w zespołach napędow ych przenośników zgrzebło­

wych i strugów . W y b o r u wskaźników niezawodności d okon an o w oparciu o zalecenia podane w norm ach [

8

, 160, 161]. Z pu n ktu w idzenia klasyfikacji niezawodnościowej przekładnie te m ożna zaliczyć do obiektów d w u sta n o ­ wych napraw ialnych, które pracują z regularn ym i przerw am i i przeznaczone są do w y kon yw an ia określonych zadań, kontynuow anie których uzależnione jest od czasu naprawy.

Z g o d n ie z n o rm ą [160] niezawodność w takim p rzy p a d k u (kod 2433) charakteryzuje zespół wskaźników, takich jak:

1

. l j (t) — param etr stru m ien ia uszkodzeń,

2

. K g — w skaźnik gotowości obiektu,

32 2. U za sa d n ien ie celow ości p o d j ę c i a t e m a t u p r a c y

3. Q s — średni zasób pracy, 4. 0 U — średni czas napraw y.

P rz e k ła d n ie objęte obserw acją b y ły częścią popu lacji generalnej w y b ra n ą losow o, a więc sta n o w iły populację próbną. W a rto śc i w ym ien ionych w skaź­

ników niezaw odnościow ych oszacow ano za p o m o c ą ich estym atorów . E s t y ­ m a to r a m i ty m i [139, 161] są:

• P a r a m e tr stru m ie n ia uszkodzeń, w p rz y p a d k u g d y obiekty uszkodzone w czasie b a d a ń są zastępowane n o w y m i lub na p raw io n ym i

" ' « > - ; r k i • (2 -! )

gdzie:

r — licz b a w szystkich uszkodzeń w badanej próbce, które w y stą p i­

ły w czasie ( t , t + A t ) ,

n — licz b a obiektów pod d an ych b ad an iu ,

A t — d łu g o ść przedziału czasu, w k tó ry m przeprow adzano badania.

• W sk a ź n ik gotow ości obiektu, oszacow any statystyczn ie z p ró b ki

K g = “ > (2 -2 )

y n

gdzie:

U o o — liczb a obiektów będących w stanie zdatności w chw ili d o sta ­ tecznie odległej od chwili rozpoczęcia eksploatacji.

• Śre d n i zasób p racy Uczony od chwili rozpoczęcia eksploatacji do chwili jej zakończenia

e : = i x > , ( 2 .3 )

n «=1

2.2. P r z e k ł a d n i e z ę b a t e s t o ż k o w e w n a p ę d a c h m a s z y n . 33

gdzie:

U i — ilość p racy w ykonanej przez i-ty obiekt od chwili rozpoczęcia eksploatacji do chwili w ycofan ia go z eksploatacji.

• W sk a ź n ik średniego czasu n a p raw y obiektu

( 2 -4 )

1=1

gdzie:

t [ — czas trw a n ia i-tej napraw y,

u — ogó ln a liczba napraw w rozp atryw an ym okresie czasu, również n a p raw y w ykonyw ane kilkakrotnie n a ty m sam ym obiekcie.

Nale ży zwrócić uwagę, że przytoczone wyżej w skaźniki ch arakteryzują obiekt napraw ialny. Jeżeli przyjąć, że przekładnie są nienapraw ialne w w a­

runkach dołow ych, tzn. że ich napraw ę należy realizować m e tod am i prze m y­

sło w ym i w specjalistycznych zakład ach napraw czych, to w takim p rzy p a d k u zaleca się [160] stosow ać (kod

1121

) w skaźniki:

1 . 0

— średni czas popraw nej p racy do w y stąp ie n ia uszkodzenia, 2. A (t ) — w skaźnik intensyw ności uszkodzeń.

E sty m a to ra m i tych w skaźników ([161]) są:

• Średni czas popraw nej pracy do w y stąp ie n ia uszkodzenia, w yznaczany w e d łu g zależności (2.5), w p rzy p a d k u g d y b a d a n ia przeprow adzane są do chwili uszkodzenia w szystkich obiektów

0 ' = ^ X > , (2.5)

t= i gdzie:

t s i — czas, w k tó ry m n a stą p iło uszkodzenie i-tego obiektu.

• In te n syw n ość uszkodzeń oszacow ana statystyczn ie z próbki