POHONNÝ SYSTÉM PRO TĚŽEBNÍ STROJ SVOČ FST 2017 Bc. Martin Míchal, Rodná 14, 391 43 Mladá Vožice, Česká republika ABSTRAKT Práce je zaměřena na návrh pohonného systému kolesa, kolesového rýpadla. V úvodní části této práce je popsán samotný proces dobývání nerostných surovin a provedena rešerše těžebních strojů a převodovek. Dále je v práci popsán stávající stav pohonného systému a zvoleny tři varianty uspořádání, ze kterých je následně vybrána varianta nejvhodnější. Hlavní částí práce je návrh pohonného systému s využitím CAD systémů. Konstrukční návrh zpracovaný jako 3D model je následně použit jako podklad pro tvorbu 2D dokumentace. KLÍČOVÁ SLOVA kolesové rýpadlo, koleso, pohonný systém, převodovka, CAD ÚVOD Cílem této práce je navrhnout pohonný systém pro těžební stroj, tedy přesněji kolesové rýpadlo. V první části bude vypracována rešerše na téma těžební stroje, kde budou popsány hlavní části kolesového rýpadla, kde zvýšená pozornost bude věnována kolesu, protože navrhovaný pohonný systém je právě pohon kolesa. Dále bude provedena rešerše převodovek a jejich hlavních konstrukčních uzlů. V další části této práce budou vytvořeny tři varianty uspořádání kuželo-čelní převodovky, z nichž bude dále vybrána varianta nejvhodnější. Tato varianta bude dále sloužit jako podklad pro konstrukční návrh kuželo-čelní převodovky v podobě 3D modelu. UVEDENÍ DO PROBLEMATIKY Těžební technika slouží pro získávání (dobývání) nerostných surovin z povrchu planety, viz obr.: 1. Mezi tuto techniku, lze zařadit zakladače, rýpadla, dálkové pásové dopravníky a jejich pohonné stanice. Dále pak stroje určené pro nakládku a přepravu materiálu. Výkonnost těchto strojů je dána zejména objemem dobytého či dopraveného materiálu za jednotku času. Obr.: 1 Povrchový důl Bílina [1] V procesu dobývání surovin je na počátku použité rýpadlo, které umožní rozpojit horninu. Poté je z rýpadla materiál obvykle přesunut přes shazovací vůz na dálkovou pásovou dopravu (DPD). Dálková pásová doprava umožní přepravu natěženého materiálu k zakladači, který je umístěn v místě skládky materiálu. Schéma procesu dobývání materiálu je možné vidět na obr.: 2. Obr.: 2 Schéma procesu dobývání surovin
Každý stroj musí být vybaven různými pohonnými systémy, aby byl schopný konat požadované pracovní pohyby. Tématem této diplomové práce je právě jeden z pohonných systémů stroje. Pohonné systémy zakladačů, korečkových rýpadel a kolesových rýpadel si jsou podobné. V této kapitole bude popsáno zejména kolesové rýpadlo, na kterém se nachází řešený pohonný systém, tedy pohon kolesa. Kolesové rýpadlo Kolesové rýpadlo je stroj, určený k těžbě velkého objemu uhlí nebo užitkových surovin povrchovým způsobem dobývání. Tento kontinuálně pracující stroj, využívá k dobývání materiálu koleso, osazené korečky. [2, 3] Obecné schéma s popisem jednotlivých částí kolesového rýpadla je zobrazeno na obr.: 3. Obr.: 3 Obecné schéma kolesového rýpadla [2] 1 podvozek; 2 spodní stavba; 3 otočná deska; 4 držící výložník; 5 teleskopický kolesový výložník; 6 koleso; 7 vyvažovací výložník; 8 zdvihová lana; 9 nakládací výložník; 10 podpěrný podvozek; 11 otočná výsypka; 12 přední kolesový pás; 13 zadní kolesový pás; 14 předávací pás; 15 nakládací pás; 16 předávací výložník Nejdůležitější částí kolesového rýpadla je koleso. Koleso je v podstatě velká půdní fréza, pomocí které dochází k rozpojování horniny. Je tvořeno rámem ve tvaru plochého válce nebo komolého kužele, který rotuje okolo osy kolesa. Hornina je rozpojována pomocí korečků, které jsou umístěny na obvodu kolesa. Z korečků je hornina vyklápěna z boku kolesa na pásový dopravník, jehož pozice je přibližně v ose kolesového výložníku. Základní parametry dobývacího ústrojí kolesového rýpadla jsou tato: Průměr kolesa. Délka kolesového výložníku. Počet korečků. Obvodová rychlost kolesa. Rychlost otáčení horní stavby kolesového rýpadla. Tvar a konstrukce korečků. Z výše uvedeného má na vyklápění horniny z korečků největší vliv obvodová rychlost kolesa. Logicky se dá brát, že s vyšší obvodovou rychlostí kolesa roste výkonnost kolesového rýpadla. Tento fakt však přináší i jednu zásadní nevýhodu. Při zvýšení obvodové rychlosti kolesa roste odstředivá síla působící na horninu a to je důvod zhoršení vyklápění materiálu z korečků. Nejčastějším způsobem vyjímání materiálu z korečků je totiž pomocí gravitace, což znamená, že při příliš vysoké odstředivé síle nebude tohoto způsobu vyprazdňování docíleno. Korečky by potom musely být vyprazdňovány nuceně, což přináší vyšší složitost konstrukce korečků. Cesta ke zvýšení výkonnosti stroje tedy není ve zvýšení obvodové rychlosti kolesa, ale např. zvětšením objemu korečků, tzn. zvětšením průměru kolesa. [2] Dobývacím a rozpojovacím orgánem kolesového rýpadla jsou korečky, umístěné na obvodu kolesa, které jsou vybaveny řeznými prvky. Korečky jsou ke kolesu připevněny většinou pomocí čepů v přední části korečku a pomocí klínového uchycení v zadní části. Nádoba (koreček) je konstruována buď s plným dnem nebo pro lepivé materiály se dnem řetězovým či pružným (pryžové pásy). [2]
Převodovky Hlavní částí pohonného systému je motor a převodovka. Tato kapitola bude zaměřena zejména na převodovku, která je v této práci součástí konstrukčního návrhu. Převodovka neboli složený převodový mechanismus, je zařízení, které vzniká sériovým nebo paralelním řazením jednoduchých převodových prvků. Převodovka je umístěna mezi hnací a hnaný stroj. Hnacím strojem je motor a hnaným strojem zařízení, které plní různé funkce dle požadavků na výstup. Jednotlivé části pohonného systému jsou propojeny pomocí spojek. Základním úkolem převodovky je změna úhlové rychlosti a točivého momentu motoru a získání tak požadovaných výstupních parametrů. Pokud dochází na výstupu převodovky ke snížení otáček a zvýšení točivého momentu, nazýváme převodovku reduktorem. Pokud je tomu naopak, nazýváme převodovku multiplikátorem. [4, 5] Základním stavebním prvkem převodovky je tzv. souhmotí, které se skládá z převodových prvků (pro přenos pohybu a zatížení na souhmotí nebo ze souhmotí), rotačních přenosových částí (pro přenos zatížení v rámci jednoho hřídele), uložení (pro přenos zatížení z hřídele na rám a umožnění relativního pohybu mezi rámem a hřídelem) a spojovacích prvků (pro přenos zatížení mezi hřídelem a převodovým prvkem). [5] Veškeré prvky převodovky jsou ve skříni převodovky. Na převodovce je dále možné nalézt další části jako např. olejoznak, prvek pro vypouštění oleje, zařízení pro mazání převodovky, prvky pro těsnění převodovky a prvek pro odvzdušnění skříně převodovky. VARIANTY ŘEŠENÍ, VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY V této kapitole budou řešeny možné konstrukční uspořádání jednotlivých částí převodovky. Toto uspořádání bude zhotoveno ve třech variantách (tab.: 1), z nichž bude vybrána varianta nejvhodnější. Zvolená varianta bude dále řešena v rámci konstrukčního návrhu převodovky pohonu kolesa. U počtu stupňů vstupního převodu (tab.: 1), je uvažován u každé varianty první stupeň kuželový. Důvodem je fakt, že je zapotřebí docílit, aby byly osy vstupu a výstupu na sebe kolmé. Následující stupně vstupního převodu jsou uvažovány jako převody s čelními koly. Varianta A B C Počet planetových stupňů jeden dva Počet stupňů vstupního převodu dva tři čtyři Orientace vstupního převodu kuželo-čelní (orientován horizontálně) kuželo-čelní (orientován vertikálně) kuželo-čelní (orientován diagonálně) Způsob mazání brodění + rozstřik oběhové mazání Tab.: 1 Možné varianty řešení Varianta A Tato varianta, vyznačena modře v tab.: 1, obsahuje jeden planetový převod. Kuželo-čelní předstupeň je vybaven čtyřmi převodovými stupni, z nichž jeden je kuželový. Vstupní převod je orientován horizontálně, viz obr.: 4. Mazání je u tohoto uspořádání řešeno broděním ozubení s následným rozstřikem oleje. Obr.: 4 Schéma orientace vstupního převodu - varianta A
Výhody varianty A: Jednoduchá konstrukce skříně převodovky (horizontální uspořádání jednotlivých stupňů). Snadnější montáž oproti vertikálnímu a diagonálnímu uspořádání jednotlivých stupňů. Použití pouze jednoho planetového převodu. Nevýhody varianty A: Méně vhodné z hlediska zástavbových rozměrů vzhledem k uspořádání okolní konstrukce. Použití zbytečně velkého množství stupňů vstupního převodu. Varianta B Varianta B je v tab.: 1 vyznačena červenou barvou. Sestává se z jednostupňového planetového převodu a vstupního kuželo-čelního převodu, který obsahuje tři převodové stupně. Vstupní a výstupní osa svírá úhel 90. Vstupní převod je proto opět vybaven kuželovým stupněm. V této variantě je vstupní převod orientován diagonálně, viz obr.: 6. Kinematické schéma varianty B je možné vidět na obr.: 6. Mazání veškerých částí převodovky je v této variantě řešeno oběhovým mazáním, které je připojené na centrální mazací soustavu. Obr.: 6 Schéma orientace vstupního převodu - varianta B Výhody varianty B: Ideální řešení z hlediska zástavbových rozměrů převodovky vzhledem k uspořádání okolní konstrukce. Použití pouze jednoho planetového převodu. Použití menšího množství převodových stupňů vstupního převodu (oproti variantě A). Nevýhody varianty B: Složitější konstrukce skříně převodovky, v porovnání s horizontálním uspořádáním převodových stupňů vstupního převodu. Nutnost použití oběhového mazání. Složitější montáž převodových stupňů. Varianta C Varianta C je v tab.: 1 naznačena zelenou barvou. Obsahuje dva planetové stupně a dva stupně vstupního převodu, z nichž jeden je opět kuželový. Kuželo-čelní předstupeň je v této variantě orientován vertikálně, viz obr.: 7. Na obr.: 7 je možné vidět kinematické schéma varianty C. Mazání, je u této varianty řešeno obdobně jako u varianty B, tzn. oběhovým mazáním. Obr.: 7 Schéma orientace vstupního převodu - varianta C Výhody varianty C: Menší množství převodových stupňů vstupního převodu (oproti variantě A a B). Nevýhody varianty C: Nepříznivé uspořádání z hlediska zástavbových rozměrů převodovky vzhledem k uspořádání okolní konstrukce (nežádoucí rozšíření převodovky v ose koleso). Nákladnější, protože jsou použity dva planetové stupně, namísto jednoho (varianta A a B). Nutnost použití oběhového mazání. Složitější montáž převodových stupňů.
Hodnocení variant Dle stanovených kritérií, která jsou uvedena v tab.: 2, bude vybrána vhodná varianta. Kritéria jsou u jednotlivých variant obodována od 1 do 5, kde vyšší vhodnost kritéria je obodována vyšším počtem bodů. Z tab.: 2 je patrné, že optimální se jeví varianta B. Varianta A B C Prostorová vhodnost 3 5 4 Zaručení výstupních parametrů 5 5 5 Náklady 3 4 2 Smontovatelnost 4 3 3 Celkem bodů 15 17 14 Tab.: 2 Hodnocení variant Zvolená varianta Dle tab.: 2 byla pro konstrukční návrh vstupního převodu pohonného systému kolesa zvolena varianta B, která je v tab.: 2 naznačena červeně. Převodovka ve zvolené variantě se skládá ze třístupňového kuželo-čelního vstupního převodu orientovaného diagonálně a jednostupňové planetové převodovky. Planetová převodovka byla vybrána z katalogu jako nakupovaný díl. Práce se dále bude zabývat rozpracováním konstrukčního návrhu kuželo-čelního vstupního převodu. Součástí návrhu bude navržení rámu pro motor. KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ POHONNÉHO SYSTÉMU Kuželo čelní převodovka Celkový pohled na převodovou skříň je zobrazen na obr.: 8. V pravé části obrázku (u výstupu) je patrná příruba, která slouží pro přišroubování planetové převodovky. Planetová převodovka je centrována pomocí osazení, které je na přírubě planetové převodovky a při montáži se nasouvá na lícovaný průměr příruby kuželo-čelní převodovky. Pro spojení obou přírub je použito 36 šroubů se šestihrannou hlavou s velikostí závitu M24. V oblasti příruby lze také spatřit výstupní dutý hřídel, který je vybaven vnitřním evolventním drážkováním. Toto drážkování slouží pro přenos točivého momentu z kuželo-čelní převodovky na centrální kolo převodovky planetové. Hřídel centrálního kola planetové převodovky je vybaven vnějším evolventním drážkováním a je nasunut do drážkování duté hřídele. Hřídely centrálního kola není zamezen axiální posun v drážkování, protože jsou jednotlivé komponenty planetové převodovky uloženy jako tzv. plovoucí, tzn., že se mohou jednotlivé části do určité míry axiálně posouvat. Je proto třeba umožnit i axiální posun hřídele centrálního kola v drážkování duté hřídele kuželo-čelní převodovky. Obr.: 8 Celkový pohled na převodovku V pravé spodní části obr.: 8 je znázorněna deska s otvory pro šrouby. Tato deska slouží pro připojení rámu, na kterém je umístěn elektromotor. Ke spojení je použito 16 šroubů o velikosti M36.
Maximální rozměry převodovky (délka x výška x šířka) jsou přibližně 2500 x 2000 x 1200 [mm]. Přesné rozměry kuželo-čelní převodovky jsou k nalezení ve výkresu sestavy, která je přílohou diplomové práce. Přibližná hmotnost kuželo-čelní převodovky je 7900 [kg]. Obr.: 10 Kuželo - čelní převodovka - pohled 1 Obr.: 11 Kuželo - čelní převodovka - pohled 2 Sestava pohonného systému Na obr.: 12 a obr.: 13 je znázorněna celková sestava pohonného systému kolesa. Zeleně je na obrázku patrný rám, na kterém je umístěn elektromotor o výkonu 500 [kw] a kotoučová brzda. Rám je přišroubován ke kuželočelní převodovce (v obrázku modře) a za spodní část k okolní konstrukci kolesového výložníku. Dále je z obrázku patrná planetová převodovka (v obrázku černě), přišroubovaná na přírubu kuželo čelní převodovky. Planetová převodovka je vybavena dutým hřídelem, který je nasunut na hřídel kolesa. Točivý moment je z hřídele planetové převodovky přenášen na hřídel kolesa přes svěrný disk, který po utažení docílí dostatečného sevření duté hřídele na hřídeli kolesa. Jak již bylo zmíněno, pohonný systém je vybaven kotoučovou brzdou. Kotouč brzdy je přišroubován ke spojce, která přenáší točivý moment od motoru ke kuželo čelní převodovce. Navržený pohonný systém je konstruován pro kolesové rýpadlo KU300 a jeho celková hmotnost je okolo 22 [t]. Obr.: 12 Pohonný systém kolesa - pohled 1 Obr.: 13 Pohonný systém kolesa - pohled 2
ZÁVĚR V diplomové práci byla vypracována rešerše, která je zaměřena na těžební techniku. Větší pozornost byla věnována kolesovému rýpadlu, protože navrhovaný pohonný systém je určen pro pohon kolesa kolesového rýpadla. Dále byly popsány jednotlivé konstrukční uzly převodovky. V další části práce byly vytvořeny tři varianty uspořádání vstupního převodu (kuželo čelní převodovka). Varianty byly jednotlivě posouzeny a následným porovnáním zvolených kritérií byla vybrána varianta nejvhodnější. Nejvhodnější varianta uspořádání kuželo čelní převodovky byla použita jako podklad pro návrh kuželo čelní převodovky. Veškeré navrhované konstrukční uzly kuželo čelní převodovky byly před tvorbou 3D modelu podloženy patřičnými výpočty. Dále byl proveden návrh rámu pro elektromotor a vybrány z katalogu další prvky pohonného systému, tedy planetová převodovka, kotoučová brzda a spojka. Poslední část této práce je zaměřena na MKP výpočet, kde hlavním cílem bylo zjistit přibližnou hodnotu radiální síly, která působí na hřídel kolesa. Tato hodnota byla následně porovnána s hodnotou katalogovou. Při samotném návrhu byl brán ohled na ekonomické hledisko, a proto byly pro svařované části pohonného systému zvoleny běžně dostupné polotovary. Při návrhu byl také brán ohled na možnost manipulace a to buď s pohonným systémem jako celkem, anebo možnost manipulace s jednotlivými hlavními částmi nezávisle na sobě. Navržený pohonný systém je určen pro pohon kolesa, kolesového rýpadla KU300. LITERATURA [1] O ENERGETICE.CZ. Dojde k prolomení těžebních limitů na dolech Bílina a ČSA? U Bíliny možná již letos! [online]. 2016 [cit. 2016-10-11]. Dostupné z: http://oenergetice.cz/elektrina/dojde-k-prolomeni-tezebnich-limituna-dolech-bilina-a-csa-mozna-jiz-letos/ [2] FRIES, Jiří. Zemní stroje [online]. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2012,, 229 [cit. 2016-10-13]. Dostupné z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/fs/zs/text/zemni_stroje_340-0333_www.pdf [3] Dobývací stroje pro povrchovou těžbu. In: Technologie stroje a zařízení [online]. 2012 [cit. 2016-10- 12].Dostupné z: http://techstroj.g6.cz/u/dobyvaci_stroje_povrch_koreckove.pdf [4] KRÁTKÝ, Jaroslav, Eva KRÓNEROVÁ a Stanislav HOSNEDL. Obecné strojní části 2: základní a složené převodové mechanismy. 1. vyd. V Plzni: Západočeská univerzita, 2011. ISBN 978-80-261-0093-5. [5] HOSNEDL, Stanislav a Jaroslav KRÁTKÝ. Příručka strojního inženýra 2: převodové mechanismy. Vyd. 1. Praha: Computer Press, 2000. Edice strojaře. ISBN 80-7226-202-5.