Калуга, Калужская область, Россия
Калуга, Калужская область, Россия
студент с 01.01.2017 по 01.01.2023
Калужская область, Россия
УДК 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
В статье предложена концепция использования машины с комбинированным ходом на базе колесного экскаватора, оснащенного наклонно-поворотным устройством, для ремонта и текущего содержания железнодорожных путей. Текущее содержание пути включает систематический надзор за состоянием сооружений пути и путевых устройств и содержание их в состоянии, гарантирующее безопасное движение поездов. Обоснована целесообразность применения машин на комбинированном ходу и использования наклонно-поворотных устройств для различных видов работ, таких как выправка и рихтовка пути, смена шпал, планировка балластной призмы, очистка железнодорожных путей от снега и многое другое. Разработана перспективная отечественная конструкция наклонно-поворотного устройства с внедрением в конструкцию поворотного гидроцилиндра. Построена 3D модель разработанного наклонно-поворотного устройства при помощи CAD системы КОМПАС-3D. Представлен алгоритм и обобщенная методика расчета поворотного гидроцилиндра, по результатам расчетов получены зависимости значения среднего диаметра резьбы от осевой силы и значения угла подъёма винтовой линии резьбы от шага резьбы и числа заходов, позволяющие выбрать наилучшие параметры резьбы.
Текущее содержание и ремонт железнодорожных путей, наклонно-поворотное устройство, тилтротатор, поворотный гидроцилиндр, методика расчета
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. Транспорт в России. 2022: Стат.сб./Росстат. Т65 М., 2022 С. 37 [Электронный ресурс]. URL: https://rosstat.gov.ru/folder/210/document/13229 (дата обращения 30.01.2023)
2. Попович М.В., Бугаенко В.М. Путевые машины. Полный курс: учебник. Москва, 2009. 820 с.
3. Шубин А.А., Витчук П.В., Смоловик А.Е. Варианты модернизации шпалоподбойки // Мир транспорта. 2015. Т. 13, № 6(61). С. 78-87.
4. Шубин А. А., Витчук П.В. Комплекс для ремонта и восстановления контактной сети // Мир транспорта. 2016. Т. 14, № 3(64). С. 80-87.
5. Sleeper changing machine MRT2 / Geismar. 2022. [Электронный ресурс] URL: https://geismar.com/products/mrt2/?lang=en (дата обращения: 02.12.2022)
6. Self-propelled and off-trackable ballast tamping machine BRAD / Geismar. 2022. [Электронный ресурс] URL: https://geismar.com/products/self-propelled-off-trackable-ballast-tamping-machine-brad/?lang=en (дата обращения: 02.12.2022)
7. Hydraulic modular ballast tamper for track & turnouts BRM8 AC / Geismar. 2022. [Электронный ресурс] URL: https://geismar.com/products/hydraulic-modular-ballast-tamper-for-track-turnouts-brm8ac/?lang=en (дата обращения: 02.12.2022)
8. Колесные экскаваторы серии ЕК [Электронный ресурс] URL: http://www.terex-zm.ru/catalog/seriya_ek (дата обращения: 02.12.2022).
9. Каталог товаров / Engcon. 2022. [Электронный ресурс] URL: https://engcon.com/en/tiltrotators.html (дата обращения: 02.12.2022).
10. Каталог товаров / Steelwrist. 2022. [Электронный ресурс] URL: https://steelwrist.com/int/products/tiltrotators/ (дата обращения: 02.12.2022)
11. Каталог товаров / ИНТЕХРОС. 2022. [Электронный ресурс] URL: https://intehros.ru/produktsiya/naklonno-povorotnoe-ustroystvo/ (дата обращения: 02.12.2022)
12. Каталог товаров / JK Technology. 2022. [Электронный ресурс] URL: http://www.jkattach.co.kr/page.php?Main=2&sub=8&tab=1&pd_no=82 (дата обращения: 02.12.2022)
13. Лепёшкин А.В., Михайлин А.А. Гидравлические и пневматические приводы. М.: Академия, 2004. 336 с.
14. Слюсарев А.Н. Гидравлические и пневматические элементы и приводы промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1989. 167 с.
15. Свешников В.К. Станочные гидроприводы. М. : Машиностроение, 2008. 512 с.
16. Варганов В.О., Аввакумов М.В., Колычев В.М., Гребенникова В.А., Романов В.А. Передача винт - гайка: учебное пособие. СПбГТУРП. СПб., 2015. 57 с.
17. Бельков В.Н., Захаренков Н.В., Захарова Н.В., Лесняк И.Ю. Прикладная механика. Расчет соединений деталей машин : учебное пособие. Омск : Омский государственный технический университет, 2021. 252 c.
