CC BY
18
Advantages of use of sports and rehabilitation trainers on the basis of the electro-pneumatic drive for the prevention of occupational diseases and the recovery of psychophysi-cal functions of railway workers are considered. Conceptual approaches to improving working conditions and health status of the main staff of the transport organizations are resulted.
Key words: transport, training equipment, industrial injuries, occupational disease prevention. electro-pneumatic drive.
Bondarenko Artem Sergeevich, postgraduate, modulmech@,gmail. com, Russia, St. Petersburg, Saint Petersburg State Polytechnic University,
Palkina Elena Sergeyevna, doctor of economic sciences, professor, ele-na_palkina@,hotmailcom, Russia, St. Petersburg, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
УДК 534.1
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ВИБРАЦИОННОГО МЕХАНИЗМА С ТРУБЧАТОЙ ПРУЖИНОЙ
С.Л. Заярный, И.О. Лесовский
Рассмотрена математическая и расчетная модели вибрационного механизма. Полученные параметры расчетной модели вибрационного механизма являются исходными данными для моделирования динамического процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа путевой машины и балласта.
Ключевые слова: математическая модель, вибровоздействие, вибрационный механизм, трубчатая пружина.
Процесс уплотнения балласта, в пределах рельсошпальной решётки железнодорожного пути, является сложным многофакторным процессом взаимодействия вибрационных рабочих органов (ВРО) путевой машины и балласта [1]. На практике наибольшее распространение получили ВРО, в которых вибрационное воздействия реализуется совместно с поступательным движением уплотнительной поверхности рабочего органа.
Модели процесса вибрационного уплотнения позволяют решать практические задачи создания и модернизации рабочих органов путевых машин [2]. Кинематический и силовой анализы взаимодействия поступательно движущейся вибрирующей лопатки подбойки и подверженного ее воздействию балласта (рис. 1) позволяют найти решения задач проектирования рабочего органа.
Для оценки характера взаимодействия лопатки с балластом используется параметр С режима, значение которого с учетом упругой отдачи балласта определяется по формуле:
С
Уд + Уб
Лю
где Уп - скорость подбойки; Уб - скорость отдачи балласта; Л - амплитуда; ю - частота.
В числителе этого выражения приводится скорость взаимного сближения лопатки и балласта, а в знаменателе - амплитудное значение скорости вибрирования. Как показывает опыт эксплуатации уплотнитель-ных рабочих органов машин, эффективное уплотнение происходит при взаимодействии лопатки и балласта с отрывом и ударами, что соответствует С < 1. При безотрывном режиме взаимодействия лопатки и балласта эффективность уплотнения резко падает, так как контакты частиц друг с другом малоподвижны, частицы оказываются взаимно заклиненными. При отрывном режиме взаимодействия контакты частиц становятся подвижными, имеют возможность перестроиться, образуя более плотную текстуру.
Экспериментально установлено, что результат уплотнения несвязного материала (щебня), выраженный через относительную осадку Еу, является случайной гиперболической функцией от общего количества относительных перемещений частиц материала, происходящих под действием внешних силовых импульсов с учетом сил инерции и внутреннего трения (активные перемещения), а также сил упругости и веса, вызывающих отдачу щебня при циклических разгрузках (пассивные перемещения), и выражается формулой
Е = С1(юВ )ш1и У Л + Б(Шв )ш1п'
где с = 0 - 2 - коэффициент, определяющий степень использования для уплотнения пассивных и активных относительных перемещений частиц; 1 = 0 -1 - коэффициент, определяющий долю объема материала, охваченного относительными перемещениями; (ю^в )ш1п - минимально необходи-
122
мое количество вибрационного воздействия для рабочих органов цикличного действия, умноженное на 2р ; (tв - время воздействия на балласт, с; А, В - эмпирические коэффициенты, зависящие от рода уплотняемого материала и способов вибрационного воздействия).
Рис. 1. Вибрационное и поступательное движение лопатки подбойки:
1 - подбойка; 2 - шпала; 3 - уплотняемый объем балласта
По-прежнему актуальной является задача создания эффективного вибрационного механизма (ВМ), который может быть реализован в качестве ВРО путевой машины. При этом представляется перспективным реализация в них механических эффектов, позволяющих существенно снизить энергопотребление ВРО в сочетании с высокой эффективностью. Особого внимания заслуживает ВМ, в котором может быть реализовано явление резонанса [3]. Функциональная схема одного из вариантов такого ВМ представлена на рис. 2. Структура такого ВМ представляет собой колебательную систему, упругий элемент которой выполнен в виде трубчатой пружины [4]. Функциональными элементами ВМ являются: 1 - трубчатая пружина; 2 - импульсный гидропривод; 3 - станина, обеспечивающая связь ВМ с путевой машиной; 4 - гидроцилиндры привода рычагов ВМ; 5 - рычаг; установленные в рычаге 5 башмак 6, обеспечивающий передачу вибрационных воздействий на балласт, и подбойка 7, обеспечивающая перемещение балласта под шпалу.
1
2
Рис. 2. Функциональная схема вибрационного механизма с трубчатой пружиной: 1 - станина; 2 - импульсный гидропривод; 3 - трубчатая пружина; 4 - гидроцилиндр; 5 - рычаг; 6 - башмак;
7 - подбойка
Расчетная схема вибрационного механизма с трубчатой пружиной приведена на рис. 3. Она представляет собой двухмассовую колебательную систему с двумя степенями свободы и диссипативными факторами. Возбуждение системы обеспечивается циклическим, знакопеременным расходом рабочей жидкости, поступающей в полость трубчатой пружины.
Общее дифференциальное уравнение движения вибрационного механизма для расчетной схемы (рис. 3) имеет вид:
к
тхх + а Хх + Яху х + сх = — () - к (х + у)]
г '
ту у + а уу + су =-Г- ^ ^) - к (х + у)],
где тх, ту - расчетные массы, обеспечивающие горизонтальное и вертикальное вибровоздействия; ат^, ат - коэффициенты эквивалентного жидкого трения; Ях = ту у - реактивная сила; V - коэффициент трения по поверхности балласта; kq, к - коэффициенты изменения объема полости трубчатой пружины при внешнем и внутреннем воздействиях;
124
F (t ) = J q sgn (sin wt) dt - периодическая интегральная функция; ю, q -0
частота пульсации и расход рабочей жидкости, поступающей в полость трубчатой пружины.
Рис. 3. Расчетная схема вибрационного механизма с трубчатой пружиной
Для исследования разработанной математической модели вибрационного механизма необходимо определить параметры трубчатой пружины, при этом для обеспечения универсальности расчётов в качестве расчётного давления принимаем p = 1 МПа. В качестве материала выбираем сплав
36НХТЮ с характеристиками: модуль упругости E = 2-105 МПа, предел упругости s y = 700 МПа, коэффициент Пуассона m = 0,33.
Из конструктивных соображений, используя метод прямого перебора, определяем геометрические параметры сечения трубчатой пружины (рис. 4, а): g = 90°, R = 250 мм, a = 80 мм, b = 26 мм, h = 10 мм.
Относительные размеры: R / a = 3,125; a / b = 3; h / a = 0,125; h / b = 0,375 < 0,6 ^ 0,7 ^ - тонкостенная трубчатая пружина.
Безразмерные геометрические коэффициенты [4, 5]: a = 0,480; b = 0,121; n = 0,131; Z = 0,0743; X = 0,591; W = 0,494.
Главный параметр пружины:
R'h Л
C = —— = 0,391
a
t
Относительное изменение центрального угла
Ау / у = р
1 -т2
Е
V
Я 2
Ь - Л
- - Ь2
а У
а
Коэффициент полного перемещения
Г = а/(1 - ообСу) )2 + (у- у) )2 = 1,151
Рис. 4. Трубчатая пружина: а - геометрические размеры; б - напряжения в трубчатой пружине
Коэффициенты Гг и Г зависят от величины центрального угла у пружины и определяются выражениями:
Г г =
= 30,558; Гt =
48 -(1 - вш( у))
48 -(1 - ооб(у) )
у- бш( у) • ооб(у) ' ' 3у- 4бш(у) + Бт( у) • ооб( у)
Полное перемещение от давления
1 = Ау/ у-Я Г = 0,469 мм. Изменение объема внутренней полости пружины
= 38,46
АУр = 12 р
1 -т
Е
Я
Л
• а -у-
1
Ь
а
«
р + г
= 4,468 10-6 м3
Определение напряжений в трубчатой пружине (рис. 4, б)
Я2 = р —
с
а
2
1 - ^
V а У
3
р+с2
-|0| = 47,022 МПа; ст2 = ох т = 15,517 МПа
Напряжение аэкв в опасных точках А и В сечения (рис. 4, а)
Я2
аэкв р ' 2
а
1 - 4
а у
2.66 Ь + с2
|0| = 41,693 МПа .
Коэффициент запаса
п
_ ° у _
=17,092.
а
экв
Если конец трубчатой пружины закрепить неподвижно и подать в нее давление, то момент, с которым она будет воздействовать на заделку, равен величине тягового момента. Тяговый момент
Мт = 24 р • Я • а • Ь •
2
1 - 4
V а у
с
= 1,137 Н • м .
Тяговая сила при ограничении перемещения конца пружины в ра-
диальном направлении
Мт •Г 3
= Мт Гг = 5,79•ю3 Н.
г 24 • Я
Если конец трубчатой пружины может поворачиваться и перемещаться в радиальном направлении, а перемещение в окружном направлении невозможно, то тяговая сила
Мт •Г, 3
—т—^ = 7,287 • 103 Н.
24 • Я
Осевой момент инерции поперечного сечения пружины
т = 4 • Ь3 • Л •
Г а -1 -
VЬ " " 4у
= 2,113 10
6
Коэффициент, связанный с увеличением изменения кривизны пружины при деформации контура поперечного сечения;
^ = £±^2 = 0,368.
Х+с2
Жесткость пружины при изгибе
Е
В =
1 -т2
Податливость пружины
п = — • 10-3
= 1,745 105 Н• м2.
В
8,956 • 10-8 м.
Частота вибровозмущения для трубчатой пружины выбирается из условия обеспечения вибротекучести балласта, которая для песчаных и
скальных грунтов: ювт = 60 Гц (377 с-1) [6]. Тогда величины масс, обеспечивающих вертикальное и горизонтальное вибровоздействия в резонансном режиме, определятся как
тх = —= 78,5 кг;
V иг
ту =—^т- = 157 кг.
V • ю2
Полученные параметры расчетной модели вибрационного механизма являются исходными данными для моделирования динамического процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа путевой машины и балласта.
Исследования рассмотренной модели позволят:
- определить рациональные геометрические параметры и режимы работы;
- оценить достигаемый эффект уплотнения для разных конструкций верхнего строения пути.
- выработать рекомендации по конструктивному исполнению ВРО для уплотнения балласта верхнего строения пути.
Список литературы
1. Путевые машины: учебник для вузов ж.-д. транс / С.А. Соломонов, М.В. Попович, В.М. Бугаенко [и др.]; под ред. С. А. Соломонова. М.: Желдориздат, 2000. 756 с.
2. Шубин А.А., Витчук П.В., Смоловик А.Е. Варианты модернизации шпалоподбойки // Мир транспорта. 2015. Т. 13. № 6 (61). С. 78-87.
3. Патент 2043449 РФ. Шпалоподбивочная машина / С.Л. Заярный, В.С. Ноткин. Опубл. 10.09.1995. Бюл. № 25.
4. Аксеральд Э.Л. Гибкие оболочки. М.: Наука. 1976. 376 с.
5. Андреева Л.Е Упругие элементы приборов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1981. 391 с.
6. Вознесенский Е.А. Поведение грунтов при динамических нагрузках. М.: Издательство МГУ. 1997. 188 с.
Заярный Сергей Леонидович, канд. техн, наук, доц., 1ехпакопауапс1ех.ги, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Лесовский Игорь Олегович, студент, щог@1е$оу$к\!. ги, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
128
THE CALCULA TIONMODEL VIBRA TING MECHANISM TUBE PRESSURE
S.L. Zayarny, I.O. Lesovsky
Consider a mathematical and calculation model of the vibration mechanism. These parameters are calculation model of the vibration mechanism are initial data for modeling the dynamic process of interaction between the vibration of the working organ track machine and ballast.
Key words: mathematical model, a vibration impact, a vibration mechanism, the tubular spring.
Zayarny Sergey Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, texna-kon@yandex. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of the Bauman Moscow State Technical University,
Lesovsky Igor Olegovich, student, igor@lesovsky. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of the Bauman Moscow State Technical University
УДК 621.833
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕЙ ГРОХОТОВ ЩЕБНЕОЧИСТИТЕЛЬНЫХ
МАШИН
А.А. Шубин, С.Л. Заярный, Н.С. Гладышев
Рассмотрены принципы работы некоторых вариантов вибровозбудителей грохотов щебнеочистительных машин, на основание чего проведен их сравнительный анализ. Проведенный авторами сравнительный анализ, а также предложенная область применения трубчатых пружин в качестве источника колебаний открывают направления новых исследований в области повышения эффективности использования очистных модулей щебнеочистительных машин.
Ключевые слова: щебнеочистительная машина, грохот, дебалансный вибровозбудитель, гидравлический вибровозбудитель, плунжерный насос, дроссельное регулирование, трубчатая пружина.
В процессе эксплуатации балластная призма железнодорожного пути засоряется фракциями земляного грунта основания пути, разрушенного щебня и просыпанного груза с подвижных составов, что ухудшает её эксплуатационные характеристики и приводит к снижению пропускной способности пути [1].
