автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение эффективности использования рабочих органов с гибкими лопастями уборочных машин

МПС РОССИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕШШЙ, УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

РГВ ОЛ

СТРУЖКОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

2 7 /554

УДК 625.144.51/.7(043.3)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ГИБКИМИ ЛОПАСТЯМИ УБОРОЧНЫХ МАШН

05.02.02 - Машиноведение и детали маши

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор С.А. Соломонов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

П.С. Анисимов - кандидат технических.наук, доцент B.C. Соколов Ведущее предприятие - ЦКБ путьмаш

Защита диссертации состоится "3D" 2//-0ASЯ. 1994 г. в /^^чао. на заседании специализированного совета К 114.05.11 в Московском государственном ушверситоте путей сообщения по адресу: 101475, ГСП, г.Москва, А-55. ул.Образцова, 15, ауд, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

«¿ГА маЯ_ 1994 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета института.

Ученый секретарь специализированного совета a.M. Маханько

общая характеристика работы

Обоснование постановки темы. Рабочие органы с гибкими лопастями нашли широкое применение в дорожних машинах коммунального хозяйства, аэродромных снегоочистителях, машинах для очистки железнодорожных путей от снега, устройствах для очистки полувагонов от остатков сыпучих грузов, машинах для сбора излишков балласта при строительстве и ремонте пути. При всем многообразии машин и механизмов для выполнения этих операций рабочим органом большинства из них является цилиндрическая щетка (щеточный подборщик, щеточный ротор-питатель) с лопастями из стальной проволоки, отрезков стального каната или синтетического' материала.

В путевом хозяйстве машины с щеточным подборщиком являются практически единственным средством уборки снега и засорителей со станционных путей, сбора и очистки скреплений и постелей шпал от излишков балласта. Щеточный подборщик с гибкими лопастями, обоспечивает уборку снега и балласта ниже уровня головки рельса не повреждая элементов конструкции железнодорожного пути и стрелочных переводов. Гибкие лопасти менее подвержены налипанию снега чем жесткие. Благодаря достаточной эластичности лопастей щеточные подборщики не захватывают посторонние предметы оказавшиеся в зоне работы, чем предохраняют от разрушения транспортирующие элементы машин. Как правило на отечественных путевых машинах гибкие лопасти представляют собой отрезки стального каната диаметром 16.5-21 мм.'

Основным недостатком, щеточных подборщиков является низкая

- 4 - '

эффективность вследствие усталостного выламывания гибких лопастей в месте выхода из заделки. Так, для оборудования щеточного ротора-питателя снегоуборочных машин типа СМ-2 требуется 400г500 м стального каната, причем за одну зиму меняется Э-М комплекта щеток т.е. расходуется до 1.5 км каната на одну машину. На универсальной балластно-распределительной машине УБРМ-1 первые "отказы гибких элементов наблюдаются уже на первом часу работы подборщика. Вместе с тем трудоемкость ремонта достаточно,высокая. Простои машины составляют в среднем в пе- • риод летне-путевых работ - 16 м/смен.

Применение новых износостойких и изломоустойчивых синтетических материалов для изготовления гибких лопастей делает

проблематичным использование эмпирических данных полученных »

для лопастей из отрезков стального каната. Становится актуальной задача выбора рациональных параметров лопастей для обеспечения уборки материала и усталостной долговечности. Поэтому

ш

разработка более общей методики расчета параметров лопастей щеточных подборщиков имеет важное значение...

Цедь работы - повышение эффективности использования щеточных подборщиков путем увеличения срока службы гибких лопастей.

Задачи исследований - первой задачей является получение общих зависимостей для определения напряженного состояния лопасти в условиях сложного сопротивления и значитёльных перемещений. Решить поставленную задачу можно на основе методов, теории упругости.

Напряженное состояние лопастей зависит как от конструктивных параметров так и характера нагрузки. Таким образом второй задачей, требующей решения, является получение зависи-

мостей для определения составляпцих нагрузки, действу идей на лопасть при взаимодействии с поверхностью и при резании материала .

Третья задача ото разработка инженерной методики расчета минимального количества лопастей для обеспечения уборки материала и усталостной долговечности.

Четвертая задача - проверка результатов расчета на опытном образце в натурных условиях. Методы исследований

- методы математической статистики для организации сбора и анализа вкспертных оценок;

- математическое моделирование на ЭБМ;

- экспериментальные проверки адекватности математических моделей;

- вкспериментальные оценки оффективности разработок в эксплуатационных условиях.

Научная новизна

- иследован процесс взаимодействия лопасти с убираемым материал«.! (щебнем) при различных углах резания с определением значения составляпцих суммарной нагрузки;

- предложенная методика определения параметров лопастей ка основе решения точного уравнения упругой линии делает возможным ее применение для любой уборочной машины оснащенной подборщиком с гибкими лопастями, сведя к минимуму использование емпири-ческих. данных.

Практическая ценность - разработанная методика и программы расчета параметров лопастей позволяют создавать подборщики с лопастями из различных материалов и конструкций с обеспечением уборки материала и усталостной долговечности.

- 6 -'

Эффект от применения данной методики при расчете подборщика универсальной балластно - распределительной машины УБРМ-1

*

с лопастями из резинотросовой ленты получен от снижения простоя машины в ремонте за счет упрощения конструкции подборщика и увеличения (примерно в 6 раз) срока службы лопастей.' Реализация работы. Материалы работы использовагы:

- в ЦКБ тяжелых путевых машин при модернизации вьтравочно-под-бивочно-отделочной машины ВПО-ЭООО;

- на Московско-Курской дистанции пути (ПЧ-1) при модернизации ' подборщика снегоуборочной машины СМ-2 N 1224;"

- в 0ШС-103 при разработке нового подборщика универсальной балластно - распределительной машины УБРИ-1. •

Апробация. Результаты исследований докладывались на VI научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов МИИТа в 1986 г.; нашли отражение в научных отчетах отчетах МИИТа за 1984-1987 гг.; на заседании кафедры "Механизация погрузочно-разгрузочных и строительных работ"- МПУПС в 1993 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре печатные работы. Получено авторское свидетельство. Структура и объем работы.

Диссертация, общим объемом 127 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 55 наименований и приложений.

Диссертация включает 76 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 10 таблиц и 16 страниц приложения.

Содержание работы В первой главе рассмотрены оточествешше путевые машины и манаты ведущих зарубежных фирм для распределения щебня, очистки пути от снега и засорителей оборудованные щеточными подбор-

щиками. Дано описание конструкции и работы щеточных рабочих органов и гибких лопастей. Как правило подборщики на отечественных машинах оснащаются гибкими лопастями из отрезков стального каната. Зарубежные же лопасти выполнены из синтетического материала (резины, полиэтилена, полиуретана и др.) с внутренним или наружным армированием.

Приведен анализ работоспособности и видо» износа щеточных подборщиков. Информация, собранная методом анкетирования, и наблюдения за работой снегоуборочных машин позволяют выделить основные причины влияющие на низкую долговечность гибких лопастей. В первую очередь это выламывание лопастей в месте выхода из заделки. Так первые изломы лопастей на машине УБРМ-1 наблюдались Уже через 40 минут работы подборщика. Далее - истирание, расплетение каната, остаточная деформация и коррозия.

При анализе исследований по повышению долговечности щеточных робочих органов уборочных машин рассматривались работы по изучению режимов эксплуатации щеточных рабочих органов для очистки дорог и аэродромов от снега, проведенные Акадамкей коммунального хозяйства с ВШ1Икоммунмаш,- работы по исследованию основных параметров роторных рабочих органоз снегоуборочных машин для очистки железнодорожных станций и работы по выбору параметров щеточных маиин для очистки полувагоноз от остатков грузов.

Академией коммунального хозяйства были предложены лопасти для подметально-уборочных машин, изготовленные из полиамидных монозолокон. Как показали исследования, синтетические лопасти обладают лучшими показателями по износостойкости по сравнению со стальным ворсом к по числу циклов до излома превосходят его в 50 и более раз. Расчет параметров взаимодействия лопасти с

поверхностью ведется по емпирическим формулам.

Пру совершенствовании щеточных рабочих органов путевых машин также широко используются эмпирические и полуемпирические фомулы для определения параметров взаимодействия лопастей с поверхностью, убираемым материалом, и мощностных параметров. Приведены (экспериментальные зависимости срока службы лопастей от силы прижатия, диаметра ротора-питателя, окружной скорости и числа лопастей. " •

В качестве основной причины отказа гибких лопастей авторами называется усталостное выламывание лопастей в.месте выхода из заделки. Из-за трудностей решения точного дифференциального уравнения упругой линии для анализа напряженного состояния лопастей авторы вводили различные приближенные уравнения. Наиболее известны следующие:

У=2Х(Хх ~Т}

и

♦ V,2 ^

где / - прогиб конца лопасти;

X - проекция лопасти на ось абсцисс; текущая координата.

Однако в вти уравнения входят две неизвестных взаимосвязанных величины У, и X , связь между которыми зависит от многих параметров (режима работы, характеристик убираемого материала и др.). Этот вопрос не рассмотрен ни в одной работе.

Таким образом перспективным является направление совершенствования щеточных рабочих, органов путевых машин путем изготовления гибких елементов из синтетических материалов и оптимизации параметров подборщика на основе методики базирующейся на

решении точного уравнения упругой линии известного из теории упругости.

Вторая глава посвящена оценке напряженного состояния лопастей при взаимодействии с поверхностью и чистом резании материала, а также факторов, влияпцих на это состояние.

Решение точного дифференциального уравнения равновесия упругой линии для случая продольно-поперечного изгиба дает следующие выражения

X 'cosy + у 'sinу ;

где Р „

x'-Lijf (£(ip) 'Е(Фо)) -f-;

у '= (COS('-po) - COS (t¿>)), . где J5 - силовой коэффициент подобия, зачисляемый из выраже-

ния

j3=f(k) -F(ipo),

где F(k), f(tpo) - эллиптические интегралы Лежан-дра первого рода т.е.

F(H%

dip

0 , f-k sm ip

эллиптические интёгралы Лежандра второго рода т.е.

£(ip) =/ys-^sir&p dtp ;

о

(fo, (р ~ амплитуда эллиптического интеграла у/2 проб 90°; (fio <<Р <90°\

S - текущая длина изогнутой лопасти;

- 10 -'

/ - полная длина лопасти;

к - еллиптический модуль

зт(у/2)<Ь* 1; поС, .

где оС - модулярный угол эллиптического интеграла

у/2 <оС < 90°.

Амплитуда еллиптического интеграла подсчитывается по формуле у>0 =агс5/'п( $'т\у/2)/к).

Решить приведенные уравнения в элементарных функциях невозможно. Для условия взаимодействия лопасти с поверхностью получены графические зависимости и. ^) рис. 1, где Яз - радиус кривизны лопасти в заделке; уЗ - силовой коэффициент подобия --РС/ЕЗ ; В - угол поворота ротора; С - координата концевой точки лопасти на горизонтальной оси.

Данные зависимости получены с учетом двух силовых факторов: N - нормальной реакции поверхности и Ртр - силы трения лопасти о поверхность. Учет влияния распределенной нагрузки от собстве!шого веса лопасти и центробежных сил инерции, в связи со значительным усложнением расчетов был проведен численным методом для стальной и капроновой лопастей длиной от 0.3 до 0.6 м и частотах вращения от 2 до 8 с"* . Анализ полученных результатов показал, что при существующих параметрах подборщиков влиянием указанных нагрузок можно пренебреч.

Проверка, проведенная на стенде, показала, что отклонения • экспериментальных значений напряжений от расчетных при различных значениях прижатия составили 7-^18^, а силы взаимодействия лопасти с поверхностью Это свидетельствует о приемлемой

- u -

Графики расчетных заВисимостей

Рис. 1

согласованности продложетшой математической модели и реального процесса взаимодействия лопасти с поверхностью, а также о верном методе и составленной прог-римме решения этой задачи на ЭВМ.

П^и оценке напряженного состояния лопасти при чистом резании материала учитывались следующие" нагрузки: суммарная реакция материала^резанию Рм , сила тяжести вырезанного материала Ро , сила трения вырезанного материала о забой Ргр.З > сила инерции вырезанной масы Рин .

По абсолютной величине суммарная реакции материала реэа-

*

нию на много превышает все друше виды сопротивлений, и По этому ошибка в ее определении существенно влияет на результат расчета. Анализ существующих методов расчета реакции грунта показал невозможность их использования для случая резания материала гибкой лопастью. В связи с 'чем было принято решение о проведении экспериментальных исследований этого процесса.

Эксперимент проводился на стенде аналогичном односрезным приборам применяемым для определения сопротивления грунтов сдвигу при прямом плоскостном срезе и заключался в определении нормальной Paz И тангенциально^Ppf составляющих суммарной рак-ции материала резанию в зависимости от угла резанияJ3p . Графические зависимости представлены на рис.2. В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадрааюв получены следующие зависимости:

^=/.2-О. OH'fp,

где" К ~ удельное сопротивление резанию, Н/см ;

у - коэффициент равный отношению Раг/Poi ; где Рог и Ро/ соответственно нормальная и тангенциальная сос-

- 13 -

Осциллограммы составляющих ' суммарной реакции материала резанию

1

Рис.2

тавляющие оилы резания

Сила Pot подсчитывается по формуле

Pot =кВН,

где В - ширина резания;

/У - глубина резания. Остальные-составляющие нагрузки получены из расчетных формул.

Решить задачу повышения долговечности гибких лопастей за счет выполнения условия неиревышония напряжений возникающих в лопасти предела усталости материала лопасти можно двумя способами: 1. При известной конструкции лопасти (канат, многослойная, сплошная и т.д.) и параметрах £ , J расчитать минимально необходимое количество лопастей; 2. При известны материале лопасти (O^r, Е ) и заданном их количестве определить необходимую жесткость и подобрать конструкцию.

Для решения поставленных задач разработана методика и программы расчета, реализованные на языке Basio.

Третья глава посвящена разработке подборщика универсальной балластно-раснределительной машины УБШ-1.

В связи с достаточным ассортиментом материалов и изделий пригодных для использования в качестве гибких лопастей щеточных подборщиков задача повышения долговечности решалась выбором минимально необходимого количества лопастей.

Вначале проведен анализ напряженного состояния гибких лопастей из отрезков стального каната устанавливаемых на эксплуатируемых машинах. Экспериментально определена жесткость и рас-читаны минимально допустимые радиусы кривизны тросовых лопастей с учетом асимметрии цикла нагружения.

По разработанной методике проведен расчет количества ло-

пастей необходимых для обеспечения резания материала и усталостной долговечности. В качестве альтернативы лопастям из стального каната предложена реоинотросовая лента. Результаты расчета сведены в таблицу.

Таблица

Количество радиально расположенных лопастей для обеспечения резания щебня машиной УБВЫ

Минимальный угол резания, град

Лопасть 50 55 60 65 70 75 80 85

канат 7 8 8 8 8 6x2 шах шах

канат 019.5 3 3 4 4 4 6 4x2 7x2

канат 1 1 1 1 1 3 4 8

лента 1 вар. 8 6x2 7x2 7x2 7x2 шах шах тах

лента 2 вар. 6 5x2 6x2 6x2 7x2 пах пах шах

8x2

5x2

Прим.: х2 - обозначение сдвоенных лопастей.

, пах - число лопастей превышает максимально допустимое, г'- минимальное количество лопастей из условия . усталостной прочности.

Как видно из таблицы, количество тросовых лопастей по условию усталостного выламывания значительно превосходит количество лопастей достаточное для обеспечения резания материала, что ведет к лишнему расходу материала. При применении резкно-тросовых лопастей их количество по условии обеспечения резания является достаточным и по условию усталостного вылзмызаккя.

6

Кроме того -при выборе конструкции экспериментального подборщика принимались во внимание следующие положения:

1. ¡возможность конструктивной реализации.

2. Необходимость дополнительного технического обслуживания (обжатие стальными кольцами тросовых лопастей для предотвращения расплетания).

3. Тросовые лопасти подвержены коррозии, что значительно снижает их срок службы.

4. При сравнении вариантов лопастей из каната 24 мм и ре-зинотросовой ленты учитывалась значительная жесткость тросовых лопастей, что увеличит нагрузки на привод подборщика и вибрацию.

5. Трудоемкость их изготовления и установки на ротор.

Анализируя приведенные' положения в качестве опытного образца, был выбран подборщик с лопастями из резинотросовой ленты. В качестве конструктивного решения была выбрана схема, представленная на рис.3.

Испытания экспериментального подборщика установленного на машине УБРМ-1 проходили в ОПМС-ЮЗ.

Окплуатация машины в течение двух лет на щебеночном балласте подтвердила правильность разработанной методики и выбранной конструкции. Отказов лопастей не наблюдалось, качество очистки пути удовлетворяло требованиям.

В четвертой главе приводится экономический расчет эффективности подборщика, расчитанного по предлагаемой методике, оборудованного лопастями из резинотросовой ленты проведенный в ОПМС-ЮЗ.

Эффект подсчитан от снижения простоя машины в ремонте за счет увеличения срока службы гибких лопастей примерно в 6 раз.

. - 17 -

Экспериментальный пад&орцик машины УБРМ i с резинотросоВыми лопастями

^---J

- — —1 - . - ■ — — — . -

1

II у s--—J

ВидА

- 18 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Из анализа исследований, посвященных работоспособности щеточных подборщиков путевых и'дорожных уборочных машин, собранной эксплуатационной информации и обзора конструкций подборщиков отечественных и зарубежных машин можно заключить, что низкая эффективность отечественных подборщиков связано с недолговечностью гибких лопастей вследствие усталостного выламывания.

Повысить срок службы лопастей можно за счет улучшения конструкции подборщика на основе создания методики расчета параметров лопастей для обеспечения уборки материала и усталостной долговечности и применения для изготовления лопастей синтетических материалов, таких как резина, Полиуретан, полиэтилен, нейлон и др. с армированием или без.

2. Предложенные различными авторами эмпирические формулы и методы определения напряженного состояния лопастей И параметров взаимодействия лопастей с поверхностью и убираемым материалом на основе приближенных уравнений упругой линии, как правило, справедливы для конкретной машины, типа ворса, убираемого материала и режимов эксплуатации или имеют неопределенности.

Для получения более общих зависимостей описывасщкх состояние лопасти и параметры взаимодействия лопасти с поверхностью и убираемым материалом разработаны математические модели на основе решения точного уравнения упругой линии, что позволяет свести к минимуму приближенные формулы и эмпирические коэффициенты.

3. При разработке методики определения параметров гибких лопастей, в связи с наличием значительного количества параметров влияющих на долговечность гибких лопастей, перспективными представ-

ляются два направления:

1) При известной конструкции лопастей выбрать их минимальное количество по условиям обеспечения реэшшя ,и усталостной долговечности.

2) Выбор конструкции лопастей при определенном их количестве.

Проведенный численный анализ показал, что при решении поставленных задач влиянием центробежных сил инерции и собственным васом лопасти на ианряжештое состояние можно пренебречь. Однако, требуется окспериментальное определение суммарного значения и направления силы взаимодействия лопасти с конкретным материалом при различных углах резания. Для чего был разработан специальный стенд и проведен эксперимент по определению нормальной и тангенциальной составляющих силы резания щебня при различных углах резания.

4. Предложенная методика расчета минимального количества лопастей, обеспечивающих резание и усталостную длговечность, реализованная на языке Basic, применялась при оборудовании универсальной балластно-распределительной машины УБШ-1 щеточным подборщиком с лопастями из резинотросововой ленты.

Эксплуатация машины в течение двух лет показала, что при удовлетворительном качестве очистки пути, отказов связанных с выламыванием лопастей не наблюдалось.

Основные положения диссертации достаточно полно отражены в четырех публикациях:

1. Соломонов С.А., Николаев С.В., Стружков A.B., Преимущества реэгаютросовых лопастей. - "Путь и путепс" хозяйство", Н 1, 1987.

го -

?. Соломонов С.А., Мачульокий и.И., Стружков A.B. Рабочий орган Лутеной убо[ючной машины. A.c. N 1544В66, 1909.

3. Соломоном С.А-., Стружков A.B. Исследование гибких лопастей путевых машин. - Тр. ин-тов инж.ж.д.трянсп., вып. Н.Ч4. МИИТ, 1991.

4. Коршунов A.A., Стружков A.B. Щоточныо подборщики о лопастями ил резинотросовой ленты. - "Щюмншленный транспорт",

N ?, 199:К

Подписано к печати ¿0.05".

60 х 04 1/16 Заказ N 6ЦЛ.

Усл.- печ. л. Тираж J00, екз.

101475, Москва, А-55, ул. Образцова, 15 Типаграфия МИИТа