Проектирование реданных рам машин очистки железнодорожных полотен для отсыпки



Статья посвящена анализу проектирования рам типа «редан», основным этапам проектирования, наиболее часто встречающимся случаям при проектировании рам типа «редан», характеру и видам нагружения, расположению конструктивных элементов в рамах типа «редан» в зависимости от нагрузок и технологии производства дорожных работ.

Ключевые слова: рамы типа «редан», продольные и поперечные профильные схемы рам, асимметричная и симметричная схемы рам, виды нагружения рам типа «редан» — изгиб и кручение.

В 30-е годы XX столетия в дорожном строительстве появились грейдеры, машины которые использовали раму типа «редан». На него устанавливалось рабочее оборудование в виде отвалов, рыхлителей и др. Значительно позднее появились ВЭС (высвобождаемые энергетические средства) (рис. 1) [1]. Как и у грейдеров их основным достоинством являлось высокое расположение рамы над поверхностью земли, хорошая доступность к рабочим органам дорожных машин, кроме того у них появилась возможность переходить с одного рабочего модуля на другой. Благодаря этому время на их настройку, технологическое обслуживание и ремонт сокращалось до минимума.

Особенностью модульных дорожных машин с рамами типа «редан» явился переход к интенсивным технологиям строительства дорог с малым перемещением грунта (как правило, плечо перемещения не превышает 5 м).

Эти машины относятся к землеройным, с широким диапазоном работы по влажности на всех типах почв. Они соединяются в агрегат с энергетическим модулем ВЭС класса 2,1 тс (21 кН). В них был рассмотрен вопрос конечного элемента в двух вариантах: накопление в бункер ёмкостью до 3,5 т, отгрузка в отвал с плечом 5 м или транспортные средства. В качестве, которых могли использоваться автомобили ЗИЛ-133, УРАЛ, МАЗ и КАМАЗ всех модификаций, что позволяло проходить 100 м со скоростью 0,5 м/с) [2, 3, 4].

а — тяговый модуль впереди модуля подготовки ложе полотна;

б — тяговый модуль позади модуля подготовки ложе полотна;

V — направление скорости машины

Рис. 1 — Модульные дорожные машины с рамами типа «редан» для подготовки ложе полотна

В зависимости от физико-механических характеристик грунта в модулях дорожных машин были использованы, как симметричная схема конструкции рис. 2 (1,5 м ширина захвата, глубина подкапывания до 0,05 м — для тяжёлых грунтов; 3 м ширина захвата, глубина подкапывания до 0,05 м — для лёгких грунтов), так и асимметричная схема конструкции (0,75 м ширина захвата, глубина подкапывания до 0,10 м — для каменистых грунтов, 2,25 м ширина захвата, глубина подкапывания до 0,05 м — для средних грунтов) рис. 2 [1].

В отличие от арочных рам в расчетах рам типа «редан», кроме профильной схемы вида сбоку рис. 4, используется профильная схема вида сверху, приведённые на рис. 5. Главной особенностью профильных схем рамы типа «редан» является то, что в процессе эксплуатации наиболее опасным является случай поворота машины с полным бункером грунта, при этом при расчете статически неопределимые системы сводятся к статически определимым.

Рис. 2 — Симметричная схема рамы (ширина захвата 1,5 м и 3 м) типа «редан» рабочего модуля (b₁ = b₂) (прицепной вариант)

Рис. 3 — Асимметричная схема рамы (ширина захвата 0,75 м и 2,25 м) типа «редан» рабочего модуля (b₁ = 0) (прицепной вариант)

Точность расчётов при этом несколько снижается, однако они значительно упрощаются, хотя для получения расчётов более точного результата раму придётся считать как статически неопределимую.

а, б, в, г — вариант схем рам рабочего модуля в транспортном и рабочем положении с загруженным и пустым бункером;

G_М — вес машины; G_Б — вес грунта в бункере; G₁ — вес машины приходящийся на опорные колеса в транспортном режиме; G'₁ — вес машины приходящийся на опорные колеса в рабочем режиме; G₁' — вес машины приходящийся на опорные колеса в транспортном режиме с полным бункером грунта; G₁'' — вес машины приходящийся на опорные колеса в рабочем режиме с полным бункером грунта; G₂ — вес машины приходящийся на прицеп ВЭС в транспортном режиме; G₂' — вес машины приходящийся на прицеп ВЭС в рабочем режиме; G'₂ — вес машины приходящийся на прицеп ВЭС в рабочем режиме с полным бункером; G₂"– вес машины приходящийся на прицеп ВЭС в рабочем режиме с полным бункером; G₃ — вес машины приходящийся на грунт в процессе подкапывания; F_т — сила тяги ВЭС; R_к, R'_к, R_к', R_к» — соответственно опорные реакции колёс; R_пр, R'_пр, R_пр', R_пр» — соответственно опорные реакции прицепа; F_ск, F'_ск, F_ск', F_ск» — соответственно силы сопротивления качению колес дорожного модуля; F_сп — сила сопротивления подкапыванию почвенного пласта; F_п — сила подкапывания грунта; ЦТ — центр дорожного модуля.

Рис. 4 — Продольные профильные схемы рам модульной дорожной машины и их нагрузка (прицепной вариант)

Из приведённых схем (вид сверху) видно, что основным отличием на продольных профильных схемах рам является то, что вектор тягового усилия ВЭС повернут на угол α. Основной задачей проектирования рам является задача выдерживания тяговой нагрузки создаваемой ВЭС (любое средство), т. е.

Р_Т = R₁ + R₂,

Р_Т cos α = R'₁ + R'₂.

Рис. 5 — Профильные схемы рамы модульной дорожной машины (вид сверху) и их нагрузка (прицепной вариант)

Таким образом, при профиле редана из прямоугольной трубы 220×100×5 выполненной из стали 09Г2С ГОСТ 5058–65 с [σ_из]_II = 1500 кгс/см² и [τ_кр]_II = 900 кгс/см² [5], при продольной нагрузке 2,1 тс (21 кН), учитывая, что плечо момента составляло 1 м (по конструкции рамы прицепного модуля.

Момент сопротивления изгибу равен

при a = 220 мм, b = 100 мм, a₁ = 210 мм, b₁ = 90 мм, тогда расчетный изгибающий момент будет

М _из = W_X · [σ_из]_II = 145 · 1500 = 217 750 кгс см = 21 360 Н м.

расчетная сила тяги ВЭС F_т должна составлять 21,36 кН (2,17 тс). Таким образом, для одного редана в продольном направлении сила тяги ВЭС выдержана, т. е. заявленная тяговая характеристика 21 кН (2,1 тс) для модуля рамы прицепной дорожной машины была выполнена.

При повороте на угол α = 45° cos α = 0,7071 Р' _из = 15,1 кН, при плече l_Р = 4 м М' _из = 60,4 кН м, тогда при s = 5 мм

W_х = 4/3 b² s, (2)

тогда W_х = М' _из / [σ_из]_II = 402,7 см³, откуда

b = (3W_х / 4s) ^{— 2} = 24,6 см

примем b = 25 см = 0,25 м

Момент сопротивления при кручении для профиля прямоугольной трубы 250×250×5 выполненной из стали 09Г2С ГОСТ 5058–65 определяется по формуле

W_К = α h b² — α h₁ b₁², (3)

где α = 0,208 — справочный коэффициент по табл. 12, т. 1, с. 76 [5].

W_К = 374,6 см³,

тогда расчетный крутящий момент будет

М _К = W_К · [τ_кр]_II = 33 073 Н м.

Учитывая, плечо момента составляло 1 м (по конструкции рамы модуля дорожной машины), расчетная сила F_К от тяги ВЭС должна составлять 33,07 кН (3,3 тс). Таким образом, для одного редана, с учётом перераспределения нагрузок и совместности деформаций, суммарная заявленная тяговая характеристика 21 кН (2,1 тс) была выполнена.

Изгибающим моментом от веса грунта в бункере на редан можно пренебречь, т. к. бункер расположен практически над опорной осью и его вес принимают на себя вертикальные стойки.

По результатам анализа и расчетов можно сделать следующие выводы:

1. первоначально выбирается технологическая схема соединения рама типа «редан» дорожной машины с модулем тягача (ВЭС) при соблюдении вариативных параметров (выполняется в программах MathCard или MathLab);

2. составляются профильные схемы рам (вид сверху) и их нагружение;

3. при проведении вариативного нагружения проектируемой рамы выбирается тип редана с решением проверочной, а также прямой и обратной проектных задач с учётом требований Технического задания [6].

Литература:

1. Петров Г. Д. Картофелеуборочные машины. — 2-е изд. перераб. и доп. — М: Машиностроения, 1984, — 320 с.
2. Разработка разветвляющейся технологии уборки картофеля с обоснованием параметров и режимов работы сепарирующих устройств Дисс. на соиск. учён. степ. д.т.н. по спец. 05.20.01 — Рязань: Отделение полиграфии ИТО РИПЭ Минюста России 1999 г. — 467 с.
3. Кочетков В. А., Кущев И. Е. Использование бункеров 3,5 т на картофелеуборочных комбайнах семейства КПК. Инф. лист, № 143–99, Рязанского ЦНТИ, Рязань, 1999.
4. Кочетков В. А., Кущев И. Е. Применение реданных рам на картофелеуборочных комбайнах. Инф. лист. № 144–99, Рязанского ЦНТИ, Рязань, 1999.
5. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т.1. — 5-е изд., перераб. и доп., — М.: Машиностроение, 1979. — 728 с., ил.
6. Филатова С. А., Сороковых Н. В. Техническая механика. Сопротивление материалов. Расчёты элементов конструкций ВВТ при различных видах деформаций. — Рязань: РВВДКУ, 2012–90 с.