Динамика и прочность горных машин. Dynamics and Strength of Mining Machines

    А.А. Гольдман, В.Ф. Монастырский, Д.Д. Брагинец, Г.П. Двойченкова






    ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ ГОРНЫХ МАШИН



    DYNAMICS AND STRENGTH OF MINING MACHINES

Учебное пособие по направлению «Горное дело» на русском и английском языках

3-е издание, стереотипное

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Горное дело»









Москва Издательство «ФЛИНТА» 2021

УДК 622.647.21(075.8)                                Работа выполнена на кафедре
ББК 33.16я73                                         «Горного и Нефтегазового дела»
    Г63                                              МПТИ(ф)СВФУ им. М.К. Аммосова

Ре ц е н з е н т ы :
д-р техн. наук, проф., зав. отделом Яутского научного центра А.М. Ишков; д
-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Горных машин»
Северо-Восточного федерального университета М.С. Викулов

    Гольдман А.А.
Г63 Динамика и прочность горных машин. Dynamics and Strength of Mining Machines : учебное пособие / A.A. Гольдман, В.Ф. Монастырский, Д.Д. Брагинец, Г.П. Двойченкова. — 3-е изд., стер. — Москва : ФЛИНТА, 2021. — 232 с. — ISBN 978-5-9765-2529-0.— Текст электронный.
           Впервые для студентов Северо-Восточного федерального университета Якутии, где традиционно дисциплина «Динамика и прочность горных машин» излагается на русском языке, предложено создать учебное пособие на русском и английском языках для углубленного изучения научных задач мировой практики исследования динамических процессов. В пособииподробно изложены основной подход к изучению дисциплины «Динамика и прочность горныхмашин», методы и принципы механики для математического описания дина мических систем и процессов, происходящих в механизмах под нагрузкой; составление эквивалентных схем и их формализация; различные конструкции приводов, характеристики электродвигателей и не-страционарные процессы (пуск, торможение и ударное взаимодействие) происходящие в них; моделирование внешнего взаимодействия на динамические системы ; определение динамических усилий; методическое обеспечение для проведения экспериментальных исследований; основные положения теории прочности и выполнение расчетов на прочность. Каждая лекция снабжена планом изложения материала, ключевыми словами и контрольными вопросами.
           Для студентов, обучающихся по специальности «Горные машины и оборудование», научных сотрудников и аспирантов. Пособие может быть использовано при подготовке практических, расчетно-графических, дипломных работ, а также при выполнении научной работы.
           The manual on discipline "Dynamics and durability of mountain cars" is intended for the students who are trained in "Mountain cars and the equipment", research associates and graduate students. For the first time for the students who are trained at Northeast federal university of Yakutia where tradition-ally discipline "Dynamics and durability of mountain cars" is stated in Russian it is offered to create the manual in the Russian and English languages for profound studying of scientific problems of world practice of research of dynamic processes. In a grant "Dynamics and durability of mountain cars", methods and the principles of mechanics for the mathematical description of the dynamic systems and processes happening in their mechanisms under loading are in detail stated the main approach to studying of discipline; drawing up equivalent schemes and their formalization; various designs of drives, characteristics of electric motors and non-stationary processes (start-up, braking and shock interaction) occurring in them; modeling of external influence and dynamic systems; definition of dynamic efforts; methodical providing for carrying out pilot studies; basic provisions of the theory of durability and per-formance of calculations on durability. Each lecture is supplied with the plan of a statement of material, keywords and control questions.
           The grant can be used by students, teachers and graduate students by preparation of practical works, RGR, theses and performance of scientific work.

УДК 622.647.21(075.8)
                                                                  ББК 33.16я73



ISBN 978-5-9765-2529-0

                         © Гольдман A.A., Монастырский В.Ф. Брагинец Д.Д., Двойченкова Г.П., 2016 ©Издательство «ФЛИНТА», 2016

     Согласно Госстандарту образования Российской федерации по направлению «Горное дело» включает:
   • лекционных занятий — 34 ч;
   • практических занятий — 51 ч;
   • самостоятельную работу студентов — 54 ч;
   • реферат по различным темам дисциплины;
   • РГР по разделам применения различных принципов механики (Д’Аламбера, Рэлея, Д’Аламбера-Лагранжа и Лагранжа) и неустановив-шихся процессов машин (пуск, торможение), определения влияния динамических усилий на элементы горных машин и их прочность по трем теориям ⁽°max = От); Стах = Сраз; ^max = ^Т
     Контроль знаний студентов выполняется по бально-рейтинговой системе.

ЛЕКЦИЯ 1


     План лекции:
     1.       Цели, задачи и компетенции дисциплины «Динамика и прочность горных машин».
     2.     Результаты освоения дисциплины.
     3.     Место дисциплины в ООП.
     4.     Основная и дополнительная литература.
     5.       Роль отечественных учёных в развитии науки «Динамика и прочность горных машин».
     Ключевые слова: компетенции, информация, горная машина, профессия дискуссия, тематика, навыки, терминология, проектирование.
     Обозначения:
     ДиП — динамика и прочность горных машин;
     ОК — общекультурная компетенция;
     ПК — профессиональная компетенция;
     ООП — общеобразовательная программа направления «Горное дело».

1.1. Требования к результатам освоения дисциплины

     Целями освоения ДиП являются:
     -  изучение динамики нагружения и прочности горных машин;
     -       изучение методики расчетов деталей горных машин, принципов их конструирования и особенностей эксплуатации с учетом динамического воздействия;
     -       познакомить студентов с основными типами горных машин, материалами и конструкциями с позиций динамики и прочности;
     -       дать представление о физических процессах в горных машинах с позиции прочности, экономичности и эффективности;
     -       научить выполнять динамические и прочностные расчеты основных деталей горных машин по различным теориям прочности;
     -       научить принимать и обосновывать конкретные технические решения при последующем конструировании горных машин.

1.2. Компетенции студента, формируемые в результате изучения дисциплины ДиП

     Общекультурные:
     -       обладать способностью к обобщению и анализу информации, постановке целей и выбору путей их достижения (ОК-1);
     -       уметь находить правильные технические и организационноуправленческие решения и нести за них ответственность (ОК-06);


4

     -       стремится к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-9);
     -       уметь критически оценивать свои личные качества, намечать пути и выбирать средства развития достоинств и устранения недостатков (ОК-10);
     -       осознавать социальную значимость своей будущей профессии, иметь высокую мотивацию к выполнению профессиональной деятельности (ОК-11);
     -       критически осмысливать накопленный опыт, изменять при необходимости профиль своей профессиональной деятельности (ОК-12).

     В результате освоения дисциплины ДиП студент должен:
     Знать:
     -       основные источники научно-технической информации по горным машинам (ОК-7, ПК-6);
     -       теоретические основы рабочих процессов горных машин с позиции динамики и прочности (ПК-12);
     -      технологию изготовления основных элементов горных машин (ПК-10);
     -       источники научно-технической информации (журналы, электронные ресурсы) по технологии изготовления основных элементов горных машин (ПК-17).
     Уметь:
     -       самостоятельно разбираться в нормативных методиках расчета и применять их для решения поставленной задачи (ОК-7);
     -       использовать программы расчетов на динамику и прочность деталей горных машин (ПК-1);
     -       осуществлять поиск и анализировать научно-техническую информацию и изучать отечественный и зарубежный опыт по динамике и прочности горных машин (ПК-6);
     -       выбирать конструкционные материалы для изготовления основных элементов горных машин в зависимости от условий работы (ПК-10);
     -      анализировать работу горных машин (ПК-19).
     Владеть:
     -      навыками дискуссии по профессиональной тематике (ОК-12);
     -       терминологией в области динамики и прочности деталей горных машин (ОК-2);
     -       навыками поиска информации о горных машинах с позиции динамики и прочности (ПК-6);
     -       информацией о технических параметрах горных машин для использования при конструировании (ПК-17);
     -       навыками применения полученной информации при проектировании элементов горных машин с позиций динамики и прочности (ПК-6).

5

1.3. Место дисциплины ДиП в структуре ООП


     Дисциплины, на которые опирается ДиП:
     - математика;
     - теоретическая механика;
     - сопротивление материалов;
     - прикладная механика;
     - теория машин и механизмов;
     - проектирование горных машин;
     - горные машины и оборудование;
     - транспортные машины;
     - механическое оборудование подземных рудников и карьеров.

1.4. Роль отечественных учёных в развитии науки «Динамика и прочность горных машин»

     Горное машиностроение в России получило широкое распространение в XX веке. В первую очередь стали создаваться подъемные установки, средства транспорта и машины для разрушения горного массива. Необходимы были методические пособия для расчета на прочность машин с учётом вибрации, механических колебаний и внешнего нагружения от постоянных, случайных и цикличных нагрузок. Первым ученым по созданию методов расчёта был Тимошенко С.П., который начинал свою творческую деятельность в Институте прочности АН Украины. Им созданы фундаментальные труды по расчёту балок на изгиб, стержней, оболочек, пластин с разными граничными и начальными условиями. В 30-е годы Тимошенко С.П. эмигрировал в США и там издал свои основные труды «Теория упругости», «Оболочки», «Колебания в инженерном деле» и др.
     В СССР аналогичными исследованиями занимались Беляев Н.М. (Сопротивление материалов), Белявский Л.А. Синицкий А.К. и др. Они совместно создали фундаментальные труды «Сопротивление материалов», «Пластины и оболочки», «Прочность» и др. Указанные труды стали настольными книгами для студентов, инженеров и преподавателей.
     Динамикой горных машин занимались Спиваковский А.О., Поляков Н.С., Потураев В.Н., Штокман И.Г., Червоненко А.Г., Флоринский Ф.В., Давыдов Б.А., Скородумов Б.А., Глушко И.М., Динник А.Н., Штокман И.М., Бабаков И.М., Кильчевский И.А., Писаренко С.Д., Бессонов А.П., Зиновьев В.И.
     Спиваковский А.О., Поляков Н.С. основали школу транспорта, написали первые труды по рудничному транспорту, опубликовали книги, пособия и инструкции по эксплуатации горных машин и предложили мероприятия по усовершенствованию различных узлов и механизмов. Поляков Н.С. и Штокман И.Г., разработали основы расчета рудничного транспорта, изложенные в книге «Основы расчета средств рудничного транспорта», в которой теоретически обосновали различные процессы, происходящие в узлах и механизмах

6

транспортных машин под нагрузкой. Книга вышла большим тиражом и переведена на многие языки мира.
     Флоринский Ф.В., Давыдов Б.А., Скородумов Б.А., Глушко И.М. исследовали динамические процессы в элементах подъемных маши, комбайнов, погрузочных машин, экскаваторов и др.
     Потураев В.Н., Червоненко А.Г., Дырда В.И., Франчук В.П., создали теоретические основы создания вибромашин: виброгрохотов (виброгрохочение в резонансных и зарезонансных режимах); вибромельниц, виброконвейеров и др. Ими опубликованы книги по вопросам вибрации, методам ее снижения, создания конструкции вибромашин и методам расчета их основных параметров.
     Писаренко С.Д., Трощенко В.Т. основали Институт прочности, в котором выполняются научные исследования по вопросам прочности деталей машин и разрабатываются рекомендации по повышению их работоспособности и надежности.
     Динник А.Н., Штокман И.М., Бабаков И.М., Пановко И.П. разработали теорию колебаний применительно к различным машинам (в том числе и горным). Рассмотрены вопросы свободных, вынужденных и автоколебаний в элементах машин и условия возникновения явления резонанса при колебаниях.
     Бессонов А.П., Зиновьев В.И. опубликовали книгу о создании агрегатов (комплексов) горных машин и показали на практическом материале как определяется их работоспособность и надежность.
     Кильчевский И.А. исследовал вопросы внезапного приложения силы к различным телам (удар) и установил закономерности ударного взаимодействия.
     Новая плеяда ученых: Вайсберг Л Г. Смирнов В.К., Москалёв Н.И., Галкин И.И., Дмитриев В.Г., Шешко Е.Е., Монастырский В.Ф., Надутый В.П., разработали новые методы расчета элементов горных машин, принципы их конструирования и создали машины нового уровня качества.
     Подводя итоги лекции можно сделать следующий вывод: студенты, изучив основы дисциплины «Динамика и прочность горных машин», должны овладеть методами исследования динамики горных машин и уметь применить их на практике при расчете деталей машин на прочность с учетом динамических нагрузок.

1.5. Литература

     Основная:
     1.      Давыдов Б.А., Скородумов Б.А. Днамика горных машин М.: Из-во по горному делу, 1981 — 330 с.
     2.      Бессонов А.П. Зиновьев В.И. Основы динамики машинных агрегатов М.: Машиностроение? 1984 — 300 с.
     3.      Динамика и прочность машин. Учебное пособие Нижнекамск, 2013. — 238 с.
     4.      Пономарёв С.Д. Современные методы расчета на прочность в машиностроении М.: Машгиз 1962 — 300с.


7

     Дополнительная:
     1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов М.: Наука, 1985 — 608с.
     2.      Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле М.: Физмаг, 1969 — 350с.
     3. Бабаков И.М. Теория колебаний М.: Госиздат 1968 — 440с.
     Контрольные вопросы:
     1. Какие требования предъявляются к результатам освоения дисциплины?
     2. Общекультурные компетенции.
     3.      Что должен знать, уметь студент и какими навыками овладеть в результате освоения дисциплины?
     4.      Какие дисциплины ООП являются основополагающими для изучения динамики и прочности горных машин»?
     5.      Какие отечественные ученные внесли наибольший вклад в развитие теории описания динамических процессов в горных машинах и расчета их на прочность?

ЛЕКЦИЯ 2


     План лекции:
     1. Силы, действующие на элементы машин.
     2.       Методика составления приведенных расчетных схем при исследовании динамических процессов.
     3. Упругие свойства трансмиссии машины и приведенная жёсткость участка.
     4.  Приведенная масса участка в трансмиссии машины.
     Ключевые слова: внешняя сила, силы инерции, расчетная и эквивалентная схемы, уравнение движения, приведенные жесткость и масса, диаграмма масс, центр приведения, радиус барабана.
     Обозначения:
     C — жесткость элемента трансмиссии, Н/м;
     П — потенциальная энергия, Дж (Н*м);
     Т — кинетическая энергия, Дж (Н*м);
     х, у, ф — обобщенные координаты, м;
     N — реакция на внешнее воздействие, Н;
     М — момент сил, Н*м.
     Е-модуль упругости материала, Н/м².

2.1. Силы, действующие на элементы машин

     Классификация сил, действующих на элементы горных машин следующая:
     1. Объёмные силы (силы тяжести тела).
     2.       Сосредоточенные и распределённые силы; сосредоточенные (точечные) силы приложены в точке (допущение, упрощающее решение задачи), распределённые нагрузки — это силы, приложенные на протяжении некоторой длины, или площади конструкции.
     3.       Постоянные и временные силы, первые из которых действуют на элементы горных машин постоянно, а вторые действуют в течение некоторого промежутка времени (например: поезд на мосту, действие ветра на металлоконструкции крана).
     4.       Статические и динамические силы. Первые приложены постепенно и не изменяются с течением времени, вторые — внезапно приложенные нагрузки (ударные или повторно-переменные).
     5.       Силы взаимодействия между элементами конструкции или с окружающей средой (воздух, жидкость и др.). В этом случае принято различать движущие силы, силы реакции и силы сопротивления движению. Движущие силы обусловлены взаимодействием отдельных механизмов, предназначенных для обеспечения требуемого движения машины. Силы реакции-силы противодействия внешней силе, приложенной к элементу машины, например, реакции опор. Силы сопротивления возникают на поверхностях взаимодействия элементов машины или элемента и окружающей среды. Это силы трения, величина которых обусловлена силой внешнего давления на трущиеся поверхности и ус

9

ловиями взаимодействия, определяющими сложную физическую природу процесса трения и выражаемые коэффициентом трения. Значение коэффициента трения зависит от физических свойств материалов, состояния поверхностей трущейся пары, наличия и рода смазки и является справочной величиной .В зависимости от характера движения тел различают коэффициент трения скольжения f и коэффициент трения качения u. При этом F^ = f Q > FIₜ = u Q, где Q — внешняя сила давления.
     Силы трения играют большое значение в динамических задачах, так как это явление сопровождается возникновением сил сопротивления двух касающихся тел.Модуль силы трения может изменять значение от 0 до максимальной величины. В состоянии покоя тела сцеплены между собой и, если к телу приложить силу меньшую силы сцепления, которая обусловлена реакцией от внешних сил, то будет иметь место невидимый глазом упругий сдвиг одной трущейся поверхности относительно другой. При увеличении силы сдвиг увеличивается и при некотором предельном значении начнется видимое движение. Сила сдвига в начальный момент времени называется трением покоя, а сила, которая сопротивляется движению — трением движения. Установлено, что сила сдвига больше силы, которую преодолевает машина при равномерном движении.
     Сила инерции.

Рис.2. 1Схема действия силы и момента инерции при поступательном и вращательном движении
     Сила инерции — массовая сила, так как в общем случае ускорения отдельных точек различны.
P =- ma,                                                          (1)
где m — масса звена, as — ускорение его центра тяжести. Знак « - » показывает, что вектор силы инерции направлен противоположно ускорению as.
Главный момент инерции вычисляется:
M ⁼~J,                                                            (2)

10