Kaluga, Kaluga, Russian Federation
Kaluga, Kaluga, Russian Federation
student from 01.01.2017 to 01.01.2023
Kaluga, Russian Federation
UDK 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
The paper proposes the concept of using a machine with a combined stroke based on a wheeled excavator equipped with a tilt-turning device for the repair and maintenance of railway tracks. The current maintenance of the track includes the systematic supervision of the condition of the track structures and track devices and their maintenance in a condition that guarantees the safe movement of trains. It is grounded the expediency of the using road-rail vehicle and the use of tilt-turning devices for various types of work, such as lifting and straightening the track, changing sleepers, laying ballast, clearing railway tracks from snow, and much more. A promising domestic design of a tilt-turning device has been developed with the introduction of a hydraulic rotary actuator into the design. A 3D model of the developed tilt-turning device is built in CAD KOMPAS-3D. The algorithm and the generalized method for calculating of the rotary hydraulic cylinder are presented. It is based on the results of calculations the dependence of the value of the mean thread diameter on the axial force and the value of the angle of climb of the screw thread line from the thread step and the number of turns, allowing to choose the best thread parameters
current maintenance and repair of railway tracks, tilt-turning device, tiltrotator, hydraulic rotary actuator, method of calculating
Введение. Эффективная транспортная система является основной экономического развития любой страны. В России одной из основных транспортных систем является железнодорожная. Отличительная черта железных дорог — возможность массовых перевозок пассажиров и грузов на большие расстояния. По данным Росстата за 2021 [1] на железнодорожные перевозки приходится 46% всего грузооборота государства. Основные преимущества данного вида перевозок: быстрота, дешевизна, регулярность и безопасность. Это возможно на основе работы различных служб, которые занимаются текущим содержанием и ремонтом железнодорожных путей.
Для содержания железнодорожной инфраструктуры в исправном техническом состоянии производится большой комплекс работ, таких как выправка и рихтовка пути, смена шпал, планировка балластной призмы и многое другое [2]. При выполнении небольших объёмов работ используется путевой механизированный инструмент, к которому разрабатываются различные варианты модернизации [3] для повышения производительности и удобства эксплуатации. При выполнении больших объёмов работ используются самые разнообразные высокопроизводительные машины, такие как: ВПРС-02 и -03, Duomatic 09-32 CSM, СЗП-600 и многие другие. По мимо этого всегда идет работа по разработке новых высокопроизводительных комплексов [4]. Все эти машины являются узкоспециализированными и их целесообразно использовать при капитальных ремонтах пути.
Для локальных работ по текущему содержанию верхнего строения пути целесообразно использовать универсальные и высокомобильные машины, способные выполнять большой спектр работ. При этом время на выполнение этих работ должно сводиться к минимуму, чтобы сократить продолжительность «окон» в графике движения поездов. Для выполнения локальных ремонтов компанией Geismar был разработан комплекс, состоящий из нескольких самоходных машин, предназначенных для замены шпал и уплотнения балластной призмы [5-7]. В России на данный момент не существует машины, которая бы смогла в полной мере занять данную нишу. Поэтому предлагается конструкция машины с комбинированным ходом на базе серийного экскаватора на колесном ходу ТВЭКС ЕК 14-90 [8]. Такая машина будет способна передвигаться как по дорогам общего пользования, так и по железнодорожным путям.
Основным достоинством данной машины является ее многофункциональность и высокая мобильность. Это преимущество обеспечивается конструктивной особенностью, позволяющей за несколько минут перевести машину с колесного хода на железнодорожный.
Модульный подход к использованию сменного оборудования позволяет выполнять различные виды работ с рельсошпальной решеткой и балластной призмой, снегоочистительные работы и так далее. В зависимости от поставленной задачи на транспортную площадку машины укладывается специализированное сменное оборудование, позволяющее производить различные виды работ.
Важными показателями при использовании сменного оборудования являются время, затраченное на снятие и установку навесного оборудования, а также точность позиционирования рабочего органа, при выполнении работ. Для этого на рукоять экскаватора устанавливается наклонно-поворотное устройство (НПУ), которое является переходным звеном между экскаватором и непосредственно самим сменным рабочим органом. За рубежом данное устройство более известно как тилтротатор.
Материалы и методы. В ходе исследования были рассмотрены отечественные и зарубежные модели НПУ, а также проанализированы и выявлены из характерные для всех рассмотренных моделей недостатки. Была предложена альтернативная конструкция НПУ и выполнен расчет необходимых показателей.
Основная часть. НПУ представляет собой комбинацию ротатора и гидропривода, которое позволяет поворачивать ковш или другое навесное оборудование, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, что позволяет существенно повысить производительность, за счет более точного позиционирования рабочего органа без перемещения самого экскаватора.
Фирмой Engcon [9] была разработана конструкция НПУ представленная на рис. 1. За вращение в горизонтальной плоскости отвечает так называемый ротатор, который представляет собой червячную передачу (1). Вращение в вертикальной плоскости осуществляется благодаря системе из двух гидроцилиндров (2). НПУ оснащено гидравлическим быстросъемным механизмом (3), предназначенным для закрепления исполнительного органа.
Рис. 1. НПУ фирмы Engcon:
1 – червячная передача; 2 – система гидроцилиндров;
3 – быстросъемный механизм.
Данный вид компоновки является классическим и самым распространённым, его используют различные производители по всему миру, такие как: Steelwrist (Швеция). ИНТЕХРОС (Россия), JK Technology (Южная Корея) и многие другие [10-12].
Однако, у данной конструкции НПУ имеются следующие важные недостатки:
- Высокая вероятность повреждения поверхности штока гидроцилиндра.
- Увеличение габаритов НПУ при увеличении угла наклона в вертикальной плоскости.
- Невозможность обеспечения точного позиционирования на всем диапазоне наклона.
Используя наработки и передовой опыт различных производителей в проектировании НПУ, была разработана перспективная отечественная модель НПУ (рис. 2), которая лишена вышеизложенных недостатков. В предлагаемой конструкции НПУ вместо классических гидроцилиндров предлагается использовать поворотный гидроцилиндр (3).
Рис. 2. 3D модель наклонно-поворотного устройства.
1 – червячная передача; 2 – гидромотор; 3 – поворотный гидроцилиндр;
4 – кронштейн; 5 – быстросъёмный механизм; 6 – захват; 7 – гидроцилиндр;
Крутящий момент с вала поворотного гидроцилиндра передается через кронштейн (4) на рукоять экскаватора, что позволяет совершать НПУ вращательное движение. Снизу НПУ оснащено гидравлическим быстросъемным механизмом (5), который позволяет произвести быстрое снятие и установку навесного оборудования. Для выполнения вспомогательных работ НПУ может оснащаться навесным стационарным захватом (6), предназначенным для захвата мелкогабаритных грузов, выполнения погрузочно-разгрузочных работ, извлечения старых деревянных шпал и многого другого. Захват приводится в движение с помощью системы из 2-х связанных гидроцилиндров (7), оснащенных специальными кожухами, для защиты штока от механических повреждений.
Благодаря использованию в конструкции встроенного специального поворотного гидроцилиндра (рис. 3) НПУ может наклоняться на угол 50° в обе стороны относительно вертикальной плоскости. Поворотный гидроцилиндр позволяет преобразовать поступательное движение во вращательное. Для этого в гидроцилиндр двойного действия устанавливаются 2 передачи типа «винт-гайка» скольжения.
Рис. 3 . Поворотный гидроцилиндр
1 – кронштейн; 2 – вал; 3 – крышка; 4 – поршень;
5 – внутренняя резьба (правая); 6 – внешняя резьба (левая);
7 –корпус; 8 – подшипники скольжения.
Кронштейн (1) одним концом крепится через проушины к рукояти экскаватора, а другим концом привинчивается к торцу крышки (3) и торцу вала (2). После подачи рабочей жидкости в левую полость гидроцилиндра поршень (4) начинает перемещаться вправо, относительно неподвижного вала (2) и при этом поворачиваться по внутренней правой резьбе (5).
Поршень совершает как прямолинейное, так и вращательное движение, а за счет наличия внешней левой резьбы (6) корпус (7), который опирается на подшипники скольжения (8), начинает совершать вращательное движение в противоположном направлении, тем самым передавая крутящий момент на НПУ.
Поскольку на данный момент не существует стандартной методики расчета поворотного гидроцилиндра был разработан алгоритм расчета (рис. 4) основных параметров механизма. Алгоритм составлен на основе общеизвестных методик и зависимостей [13-17].
Рис. 4 . Алгоритм расчета поворотного гидроцилиндра
В соответствии с представленным алгоритмом расчет начинается с определения основных геометрических параметров гидроцилиндра, расчетные параметры которого аналогичны параметрам гидроцилиндра двойного действия с односторонним штоком.
В предложенной конструкции применяется трапецеидальная резьба, основной причиной выхода из строя которой является износ витков резьбы гайки. Поэтому предварительные значения среднего диаметра резьбы и шага резьбы определяются из условия износостойкости.
В расчетах с учетом кинематики движения принята внешняя левая резьба, а внутренняя резьба правая, при этом их шаг одинаков.
Далее по алгоритму производится проверка резьбы на самоторможение. Это необходимо для стопорения рабочего органа в случае повреждения гидролинии. Также предусматривается проверка механизма на прочность и устойчивость.
Если условия прочности и устойчивости не выполняются, то необходимо выбрать резьбу с большим диаметром и повторить проверочные расчеты винта на самоторможение и устойчивость. После выполнения всех условий необходимо выполнить перерасчет фактических параметров гидроцилиндра.
Полученная в результате расчетов зависимость среднего диаметра резьбы от осевой силы (рис. 5) позволяет по заданным значениям осевой силы определить минимально необходимый средний диаметр резьбы.
Рис. 5. Зависимость значения среднего диаметра резьбы от осевой силы.
Из полученного графика следует, что минимальный средний диаметр внутренней резьбы следует принимать равным или большим 40 мм, поскольку начиная с этого значения резьба начинает воспринимать гораздо большие значения осевой силы.
В нашем случае осевому усилию равному 150 кН соответствует минимальное значение среднего диаметра резьбы равное 57,6 мм.
Также была получена зависимость значения угла подъёма винтовой линии резьбы от шага резьбы и числа заходов (рис. 6) по которой можно определить наилучшие сочетания значений числа заходов и шага резьбы.
Рис. 6. Зависимость значения угла подъёма винтовой линии резьбы от шага резьбы и числа заходов.
Для данной конструкции угол подъёма винтовой линии резьбы не должен превышать 0,18 исходя из условия самоторможения резьбы.
При больших значениях шага резьбы предпочтительно выбирать число заходов резьбы n=2, 3, так как при таких параметрах значение угла подъёма винтовой линии резьбы будет меньше приведенного угла трения.
Также стоит отметить, что изменение шага резьбы в меньшей степени влияет на значение угла подъёма винтовой линии резьбы, чем изменение числа заходов.
Оптимальным является использование двухзаходной резьбы с крупным шагом, так как она имеет больший КПД по сравнению с однозаходной, но при этом проще в изготовлении чем трехзаходная резьба.
Выводы
- Предложена и разработана перспективная 3D модель НПУ со встроенным специальным поворотным гидроцилиндром.
- Составлен алгоритм расчета поворотного гидроцилиндра, позволяющий определить основные параметры механизма.
- По результатам расчетов получены зависимости, позволяющие выбрать наилучшие параметры резьбы.
1. Transport in Russia [Transport v Rossii]: Statistics digest/Rosstat T65 M., 2022. Pp. 37. URL: https://rosstat.gov.ru/folder/210/document/13229 (date of treatment: 30.01.2023)
2. Popovich M.V., Bugaenko V.M. Track machines. Full course: textbook. [Putevye mashiny. Polnyj kurs: uchebnik]. Moscow, 2009. 820 p. (rus)
3. Shubin A.A., Vitchuk P.V. Smolovik A.E. Design and analysis of track packing machine modernization [Varianty modernizacii shpalopodbojki]. World of Transport and Transportation. 2015. Vol. 13, No. 6(61). Pp. 78-87. (rus)
4. Shubin A.A., Vitchuk P.V. System for maintenance and recovery of contact network [Kompleks dlya remonta i vosstanovleniya kontaktnoj seti]. World of Transport and Transportation. 2016. Vol. 14, No. 3(64). Pp. 80-87. (rus)
5. Sleeper changing machine MRT2 / Geismar. URL: https://geismar.com/products/mrt2/?lang=en (date of treatment: 02.12.2022)
6. Self-propelled and off-trackable ballast tamping machine BRAD / Geismar. URL: https://geismar.com/products/self-propelled-off-trackable-ballast-tamping-machine-brad/?lang=en (date of treatment: 02.12.2022)
7. Hydraulic modular ballast tamper for track & turnouts BRM8 AC / Geismar. URL: https://geismar.com/products/hydraulic-modular-ballast-tamper-for-track-turnouts-brm8ac/?lang=en (date of treatment: 02.12.2022)
8. Wheel excavators of EK-series [Kolesnye ekskavatory serii EK] URL: http://www.terex-zm.ru/catalog/seriya_ek (date of treatment: 02.12.2022).
9. Product catalog / Engcon. 2022. URL: https://engcon.com/en/tiltrotators.html (date of treatment: 02.12.2022).
10. Product catalog / Steelwrist. URL: https://steelwrist.com/int/products/tiltrotators/ (date of treatment: 02.12.2022)
11. Product catalog / INTECHROS. URL: https://intechros.com/produktsiya/tiltrotator/ (date of treatment: 02.12.2022)
12. Product catalog / JK Technology. URL: http://www.jkattach.co.kr/page.php?Main=2&sub=8&tab=1&pd_no=82 (date of treatment: 02.12.2022)
13. Lepeshkin A.V., Mikhailin A.A. Hydraulic and pneumatic drives. [Gidravlicheskie i pnevmaticheskie privody]. Academy, 2004. 336 p. (rus)
14. Slusarev A.N. Hydraulic and pneumatic elements and actuators of industrial robots. [Gidravlicheskie i pnevmaticheskie elementy i privody promyshlennyh robotov]. Engineering, 1989. 167 p. (rus)
15. Sveshnikov V.K. Machine Hydraulic Actuators. [Stanochnye gidroprivody]. Engineering, 2008. 512 p. (rus)
16. Varganov V.O., Avvakumov M.V., Kolychev M.V., Grebennikov V.M., Romanov V.A., Transmission of screw [Peredacha vint-gajka]: SPbGTUR. SPb., 2015. 57 p. (rus)
17. Belkov V.N., Zakharenkov N.V., Zakharova N.V., Lesnyak I.Y. Applied mechanics. Calculation of joints of machine parts: study. manual [Prikladnaya mekhanika. Raschet soedinenij detalej mashin]
