Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Введение в проектировании гидромеханических систем установок для распрессовки колесных пар 11
1.2 Анализ конструктивных особенностей колесных пар и способов и их разборки 14
1.3 Обзор конструкций оборудования для демонтажа колес и тормозных дисков 16
1.4 Обобщение опыта эксплуатации оборудования для распрессовки колесных пар 26
1.5 Пути повышения эффективности оборудования для разборки колсных пар и задачи исследования 28
1.7 Выводы к главе 1 29
Глава 2 Метод проектирования компоновочных решений оборудования для разборки специализированных колесных пар 31
2.1 Проблемы и особенности проектирования оборудования с гидроприводом работающем в условиях больших нагрузок 31
2.2 Основные этапы метода проектирования и расчета тяжелонагруженного оборудования для распрессовки колесных пар 34
2.3 Анализ способов приложения сил и базирования колесных пар 36
2.4 Основы формирования критерия технологической эффективности 40
2.4.1 Методическое обоснование критерия ограничения номинального усилия оборудования 41
2.4.2 Статистический метод формирования взаимосвязи времени контакта в паре колесо-ось с усилием распрессовки и сохранности оси 44
2.5 Основные технико-экономические показатели компоновочного решения 52
2.6 Формирование компоновочного решения установок для разборки специализированных колесных пар по критериям эффективности 66
2.7 Оценка эффективности компоновочных решений установок для разборки специализированных колесных пар 70
2.8 Выводы к главе 2 75
Глава 3 Методы расчета конструктивных параметров компановки гидромеханической системы 76
3.1 Методика расчета тяжелонагруженных деталей несущей системы 76
3.2 Расчет конструктивных параметров тяжелонагруженных элементов при проектировании несущей системы 79
3.2.1 Общий методический подход к расчету 79
3.2.2 Применение метода конечных элементов при сравнительном расчете вариантов конструкции несущей системы 80
3.2.3 Построение схемы нагружения и расчет силовых плит 85
3.3 Анализ теоретических и экспериментальных результатов расчета силовых плит несущей системы 91
3.4 Особенности метода расчета параметров гидромеханической системы без направляющего ползуна 94
3.5 Выводы к главе 3 104
Глава 4 Практическая реализация и внедрение результатов методов проектирования оборудования для разборки специализированных колесных пар 106
4.1 Решение прикладных задач и средств реализации проблемы повышения эффективности при создании установки УРКТ1 106
4.1.1 Формирование компоновочного решения установки УРКТ1 107
4.1.2 Особенности проектирования и расчета гидропривода установки УРКТ1 112
4.2 Практическая реализация разработанных метода проектирования на примере установки УРКТ1 120
4.3 Экономическая эффективность применения новых установок 127
4.4 Выводы к главе 4 130
Заключение. 132
Список литературы 135
Приложение А Патенты на установки для распрессовки колсных пар 142
Приложение Б Документы о внедрении установок на производственных предприятиях 156 Приложение В Табличные данные по расспрессовке колесных пар по данным собранным в железнодорожных депо 170
Приложение Г Табличные данные по расспрессовке колесных пар по данным предприятия ремонтирующим колесные пары на оборудовании модели УРК1 173
- Обзор конструкций оборудования для демонтажа колес и тормозных дисков
- Основные технико-экономические показатели компоновочного решения
- Особенности метода расчета параметров гидромеханической системы без направляющего ползуна
- Практическая реализация разработанных метода проектирования на примере установки УРКТ1
Введение к работе
Актуальность работы. Российский железнодорожный транспорт является основой устойчивого экономического развития нашей страны. В связи с этим перед ОАО «РЖД» поставлен ряд новых стратегических задач, а первую очередь значительно увеличить массу и скорость поездов, обеспечив необходимую безопасность движения в условиях повышения статического и динамического воздействия на подвижной состав и путь.
Являясь наиболее тяжелонагруженным узлом подвижного состава, колесная пара (КП), в значительной степени определяет проблему обеспечения безопасности движения. Реализация требований по увеличению скоростей движения до 250 км/ч и нагрузок до 26т на ось привело к принципиальному изменению конструкции колесных пар скоростных вагонов в связи с переходом от колодочных тормозов на дисковые, а так же замене цилиндрических подшипников на кассетные конические.
Радикальное изменение конструкции и технологии изготовления колесных пар скоростных вагонов и тепловозов, поставило перед машиностроителями ряд новых задач по совершенствованию технологической базы предприятий, формирующих новые и ремонтирующих колесные пары в процессе эксплуатации.
Исходя из этих особенностей конструкции, в специализированную группу
можно выделить колесные пары скоростных пассажирских вагонов,
оборудованных дисковыми тормозами и редукторами, и колесные пары тепловозов, оснащенных ведомым зубчатым колесом. При разборке этих специализированных колесных пар (СКП) возникают проблемы, связанные с применением существующих прессов, т.к. дисковые тормоза и зубчатые колеса ограничивают возможность упора в ступицу колеса.
Под эффективной качественной и экономичной предремонтной разборкой понимается обеспечение сохранности оси КП для дальнейшего использования после восстановительного ремонта специализированных колесных пар. Основное требование при распрессовке колес и шестерен является отсутствие дефектов в
4 виде задиров на оси, при поэлементной разборке. Это связано с тем, что ось служит в 2-3 раза дольше чем элементы, которые на нее напрессованы.
Обследование около 20 вагоно - колесных мастерских (ВКМ), ряда вагоностроительных заводов и ремонтных депо показало, что на них используется в основном оборудование, которое в ряде случаев не обеспечивает качественную и экономичную разборку СКП. Эти установки требуют наличие высокой квалификации оператора, в связи со сложностью при установке и базировании этих колесных пар. Кроме этого данное оборудование имеет большие габариты, энергопотребление, массу и высокую стоимость.
В ряде случаев на используемом в настоящее время оборудовании по
вышеуказанным причинам отсутствует технологическая возможность разобрать
специализированные колесные пары скоростных вагонов и колесные пары,
содержащие на оси приводные шестерни и детали осевого редуктора. На практике
в таких случаях для разборки СКП колесо разрезается газовой горелкой. Исходя
из этого ОАО «РЖД» поставило задачу по созданию нового,
конкурентоспособного оборудования для решения задач по бездефектной предремонтной разборке колес и тормозных дисков с колесных пар скоростных вагонов и тепловозов, которое должно заменить действующее оборудование в целях демонополизации и защиты внутреннего рынка России. В связи с этим разработка методов проектирования и расчета оборудования, обеспечивающего эффективную бездефектную, поэлементную разборку специализированных колесных пар и создание на его основе нового оборудования с широкими технологическими возможностями приобретает особую актуальность.
Степень разработанности. Большой вклад в исследования по разработке тяжелонагруженных несущих систем с гидроприводом внесли отечественные и зарубежные ученые: Решетов Д.Н., Бушуев В.В., Иванов Г.М., Коробочкин Б.Л., Левин А.И., Попов Д.Н., Пуш В.Э., Cheng W. Q., Zhu F., Э. Labbe и др. В своих работах авторы предлагают различные модели и методы расчета несущей системы и гидропривода тяжелонагруженного оборудования и пути повышения эффективности работы этих систем и др. Однако анализ этих методов показал, что
5 они не в полной мере учитывают специфические особенности колесных пар нового поколения и проблемы обеспечения их полной и бездефектной разборки в условиях больших нагрузок.
Объектом исследования является тяжелонагруженное оборудование с гидравлическим приводом, для распрессовки крупногабаритных деталей диаметром до 1000 мм (шестерни, колеса, фланцы и др.) при больших усилиях (при демонтаже до 5000 кН) и ограниченном доступе в зону контакта съемника и демонтируемой детали.
Предметом исследования является единый методический подход к
проектированию и расчету компоновочных и конструктивных параметров,
способный обеспечить повышение эффективности оборудования для
качественной предремонтной разборки специализированных колесных пар
сложной конфигурации по комплексу технико экономических показателей.
Цель работы. Повышение эффективности оборудования путем
расширения технологических возможностей для бездефектной разборки колесных
пар сложной конфигурации, снижение энергетических затрат и массогабаритных
показателей, на основе разработанного метода проектирования и расчета
компоновочных и конструктивных параметров и создания новой
конкурентоспособной установки.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные задачи:
- анализ конструктивных особенностей СКП, разработка способов
базирования и приложения усилий для обеспечения бездефектной разборки
колесных пар с ограничениями по прочности колеса и зоне доступа к ступице;
- выбор метода определения основных причин появления задиров оси и
других дефектов при разборке СКП в зависимости от величины и места
приложения усилия, а также времени контакта колеса и оси;
- разработка метода проектирования при формировании новой компоновки
гидромеханической системы для создания нового оборудования,
конкурентоспособного по массогабаритным и энергетическим показателям, а
6 также обеспечивающего повышение производительности и качества разборки всех типов СКП отечественного и зарубежного производства.
- разработка методики расчета компоновочных и конструктивных
параметров тяжелонагруженных узлов несущей системы и гидропривода,
позволяющей реализовать силовое замыкание в рабочей зоне и установить
взаимосвязи между показателями технического уровня и массогабаритными
показателями установки;
- проведение экспериментов по определению эффективности принятых
способов базирования и методов приложения усилий в установке при разборке
СКП и разработке поэтапного процесса проектирования нового оборудования.
Научная новизна работы состоит в:
- методе сравнительного анализа конструкций тяжелонагруженных систем и
элементов для определения базового прототипа и направлений
совершенствования данного оборудования, на основе обобщения
экспериментальных, теоретических исследований и опыта эксплуатации
установок для разборки СКП;
- методе формирования критериев эффективности оборудования,
основанном на совместном рассмотрении процессов в несущей системе,
гидроприводе и рабочих процессов, в зоне контакта пары колесо-ось;
методе проектирования и расчета тяжелонагруженного оборудования для разборки СКП, как последовательности этапов формирования гидромеханической системы (ГМС), на базе комплекса оценочных критериев ГМС;
разработке практических способов и средств базирования и реализации принципа силового замыкания рабочей зоны ГМС.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:
- разработке методов расчета компоновочных и конструктивных
параметров новой гидромеханической системы для эффективной бездефектной
разборки колесных пар сложной конфигурации, которые сведены в схему
поэтапного проектирования и определения путей обеспечения технологических
7 требований, повышения технического уровня данного оборудования и его конкурентоспособности;
- разработке методики расчета конструктивных параметров
тяжелонагруженных узлов несущей системы и гидропривода, позволяющей
значительно снизить габариты и массу установки;
- экспериментальном исследовании эффективности способа
разнонаправленного одновременного приложения сил к ободу и ступице колеса
при базировании непосредственно на шейку оси СКП, обеспечивающем
сохранность оси;
- создании оригинальной установки, обеспечивающей возможность и
высокое качество распрессовки колес и тормозных дисков с осей колесных пар
(приложение А) и внедрении установок в Троицком рефрижераторном депо, на
МВСЗ им. Войтовича, на Брянском машиностроительном заводе «БМЗ».
Методы исследования. Работа выполнялась на базе современных представлений о процессах и методах исследования станочно - прессового оборудования с гидравлическим приводом. При теоретических исследованиях процессов в механической несущей системе и гидроприводе использованы методы расчета пространственных деталей сложной конфигурации с помощью программного комплекса ANSYS методом конечных элементов.
Экспериментальные исследования выполнены на специальных стендах и новом оборудовании, созданном в результате настоящей работы.
На защиту выносятся:
- разработанные методы проектирования и расчета применительно к тяжелонагруженному оборудованию для разборки колесных пар сложной конфигурации, которые позволяют обоснованно формировать рациональные компоновочные решения и конструктивные параметры несущей системы и гидропривода по заданным показателям технического уровня;
- разработанный способ организации рабочей зоны гидромеханической
системы установки на основе разнонаправленного одновременного приложения
8 сил к ободу и ступице колеса, обеспечивает полную разборку и сохранность оси СКП;
- результаты теоретических положений диссертации и вытекающие из них
методы и конструкторские рекомендации, использованы в практике
проектирования с целью совершенствования существующего и создания
оборудования нового поколения высокой технологичности, низкой
материалоемкости и себестоимости, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке (приложение А);
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
полученных результатов обеспечивается экспериментальными и теоретическими
исследованиями, которые базируются на пакетах программ ANSYS и Paro
Hydroman, практическим использованием результатов диссертации, при создании
нового оборудования. Была достигнута согласованность теоретических расчетов
и натурных испытаний. Эксперименты проводились в лаборатории ПАО
«ЭНИМС» и на предприятиях ОАО «РЖД» (приложение Б). Результаты работы
докладывались на прошедшей в рамках международной выставки
«Металлообработка-2008» научно-практической конференции «Российское
инновационное станкостроение. Комплексные технологии. Наука. Производство» (Москва 2008г.), на аспирантских семинарах, проводимых в ЭНИМС. В полном объеме работа доложена на заседании ученого совета ПАО «ЭНИМС».
Соответствие научной специальности. Диссертационная работа
соответствует формуле научной специальности 05.02.02. «Машиноведение, системы приводов и детали машин» (технические науки) в соответствии с п. 2 области исследования паспорта указанной специальности.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 входящих в перечень ВАК РФ и 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Общий объм диссертации 174 стр. Диссертация имеет введение, 4 главы, заключение и приложения. Список литературы включает 74 источника.
Обзор конструкций оборудования для демонтажа колес и тормозных дисков
В настоящее время на вагоноремонтных предприятиях и в и ремонтных цехах железнодорожных депо наиболее распространенными являются установки ПА6736 усилие 4000 кН, производства ОАО «Прессмаш» (г.Одесса) рисунок 1.5.
Установки ПА6738, ОАО «Прессмаш» рисунок 1.6, модели 3938 ОАО «Гидропресс» рисунок 1.6 предназначены для запрессовки и распрессовки колесных пар, шкивов, втулок, роторов электромашин и других запрессовочных и распрессовочных работ.
Установки имеют принципиально одинаковую конструкцию. Эти установки универсальны и могут быть налажены как на запрессовку, так и на распрессовку. Установки оснащены средствами механизации для загрузки, поддержания и выгрузки изделия; механизмом переналадки на различные длины изделий; самопишущим прибором для записи диаграммы давления по пути запрессовки.
В этих установках объединяются по существу две разные по технологическому назначению машины, одна для запрессовки усилием до 1000 кН, которая требует записи диаграммы усилий, высокой плавности хода и отсутствия вибраций. Другая установка для распрессовки, работающая при больших усилиях до 6300 кН, является тяжелонагруженным силовым агрегатом. Совмещать две такие установки в одной машине, нецелесообразно и как показал многолетний опыт эксплуатации в ВКМ, в реальных условиях одна установка для двух операций запрессовки и распрессовки не используется.
Установки, представленные на рисунке 1.7 имеют две стойки (3), связанные между собой двумя направляющими (1) и установленной на них подвижной траверсой (2). Базирование на этих прессах как правило осуществляют за счет вывешивания оператором колесной пары, что не позволяет обеспечить правильное нагружение по оси, приводит к возникновению перекосов и, как следствие, дополнительных деформаций оси и повышенных усилий распрессовки. При значительных усилиях распрессовки до 6300 кН и габаритах установок возникают большие изгибающие моменты, которые деформируют несущую систему, что приводит к необходимости увеличивать толщину траверсы и массу установки. Эти пресса не решают поставленных задач, так как упор при распрессовки осуществляется в ступицу и распрессовать СКП поэлементно не представляется возможным. Недостатки конструкции:
- Невозможно распрессовать рассматриваемые КП;
- Базирование КП неопределенное и полностью зависит от квалификации оператора;
- Большие размеры фундамента;
- Имеет большие габариты и массу (8330х3955х3595 мм, 27340 кг);
Установка для распрессовки колес с осей колесных пар конструкции ОАО «ЭНИМС» (рисунок 1.8), предназначена для демонтажа цельнокатанных колес с колесных пар с осями РУ1 и РУ1Ш по ГОСТ 22780. Конструкция установки запатентована, патент RU № 2309831, кл. B23P 19/027 «Установка для распрессовки колес с осей колесных пар». По металлоемкости и занимаемой площади в 3 раза меньше существующего оборудования Одесского завода прессов и ОАО «Гидропресс» (г. Оренбург). Установка ориентирована на использование в условиях вагоноремонтных предприятий и ремонтных цехов железнодорожных депо. Толщина базовой плиты не позволяет использовать е при распрессовке СКП.
Пресс ориентирован на использование в условиях вагоноремонтных предприятий и ремонтных цехов железнодорожных депо.
Подъемно поворотное устройство, совмещенное с задней плитой, не позволяет разместить на прессе колесные пары оснащенные дополнительными элементами (редуктор, тормозной диск, зубчатое колесо).
Пресс не решают поставленных задач, так как наличие подъемно-поворотного устройства ограничивает его использование для разборки специализированных колесных пар.
Устройство [65] для разборки колесных пар рельсового транспорта, приведено на рисунке 1.10.
Разбираемую колесную пару устанавливают в прорезь правой опоры (2). Конец оси заводят в камеру высокого давления. Между торцом колесного центра и правой опорой закладывают промежуточную опору. Масло из плунжерного насоса (10) закачивают в цилиндр (5) низкого давления. При этом камера высокого давления выдвигается из цилиндра и своим торцом прижимается к торцу ступицы колесного центра. В случае перекоса колесной пары сферическая пята цилиндра поворачивается на некоторый угол в подпятник и тем самым обеспечивается равномерное центрирование и прижатие торца камеры к торцу колесного центра. Герметичность достигается за счет уплотнительной прокладки (9).
При достижении давления 40—60 МПа в цилиндре и, следовательно, определенного усилия сжатия между торцами камеры и ступицы колесного центра в работу включается плунжерный насос (11), который нагнетает масло в камеру. Когда давление в камере достигнет 60-120 МПа (в зависимости от прочности сопряжения), масло из камеры начнет проникать в зону сопряжения оси с центром, образуя масляный клин. Когда масло пройдет через всю длину зоны сопряжения и покажется в виде подтеков с противоположной ее стороны, происходит срыв оси по отношению центра усилием, создаваемым осевым давлением масла на торец оси. Масло подается в камеру до тех пор, пока сопрягаемая поверхность оси полностью не выйдет из ступицы центра.
Несмотря на отмеченные преимущества пресс не решает поставленных задач распрессовки с ограниченным доступом в зону ступицы колеса, не подходит для распрессовки колес оснащенных дополнительными элементами.
Компоновка демонтажного пресса [66], приведенного на рисунке 1.11 содержит два домкрата для подъема оси с колесами на рабочую позицию; два пуансона, расположенных на рабочей позиции и подвижных вдоль оси; упорный блок, располагаемый на оси между колесами по линии действия пуансонов. Система управления прессом позволяет попеременно осуществлять подвод пуансонов к колесам, взаимодействующим с упорным блоком, и отделять колеса от оси. Затем пуансоны отводятся назад на величину, большую длины оси.
Базирование КП на прессе осуществляют за счет вывешивания колесной пары, что не позволяет обеспечить правильное нагружение по оси, приводит к возникновению перекосов и, как следствие, дополнительных деформаций оси и повышенных усилий распрессовки.
Компоновка пресса [67] для сборки или разборки железнодорожных колесных пар показаны на рисунках 1.12, 1.13. (3) и выполнена с возможностью перемещения параллельно осям колонн силовой рамы. Подвижные траверсы снабжены несущими ложементами (6), выполненными с возможностью установки на них оси колесной пары и ее базирования и центрирования по буксовым шейкам. Упорная траверса шарнирно установлена на колоннах силовой рамы между несущими ложементами с возможностью ее поворота вокруг оси, перпендикулярной осям колонн силовой рамы. В результате расширяются технологические возможности и повышается эффективность использования прессовых операций при разборке колесных пар.
Основные технико-экономические показатели компоновочного решения
Выбор оценочных критериев второго этапа разработанного метода направлен на определение прототипа проектируемой конструкции путем сравнения выходных характеристик существующих образцов по основным технико-экономическим показателям. Оценка сравниваемых образцов связана, в первую очередь, с анализом материалоемкости основных элементов гидромеханической системы. На основании имеющихся справочных данных, проведенного анализа и информационных материалов создается компоновочная схема установки, отражающая относительное расположение элементов ГМС и приближенно воспроизводящая основные параметры и характер нагружения этих элементов. Далее, на основании схемы, проводится анализ путей силовых потоков, возникающих в ГМС при данном нагружении. Элементы, испытывающие наибольшие нагрузки на пути силового потока, выбираются для отображения в расчетной модели. Таким образом, имеется возможность учесть основные элементы ГМС, определяющие статическую жесткость конструкции.
Опыт эксплуатации показывает, что для распрессовочного (как самого тяжело нагруженного) оборудования наиболее ответственным местом являются базирующая и опорные плиты. Именно эти элементы ГМС существенно влияют на выходные характеристики тяжелонагруженных систем: жесткость, массогабаритные и эксплуатационные показатели.
Окончательный выбор компоновочного решения и соответствующих ему «компоновочных» параметров обуславливает необходимость модификации статической модели ГМС, отражающей пути прохождения силовых потоков, более подробно рассматривается нагружение этих элементов. В работе под «компоновочными» параметрами принимаются величины плеч, возникающих вследствие несоосности действующих нагрузок. На базе указанных параметров определяются «компоновочные» критерии, описывающие зависимости величин изгибных деформаций от плеч действующих сил.
В результате исследования особенностей колесных пар и существующего оборудования для распрессовки колесных пар разработчику известны основные технические характеристики установки с ГЦП (см. таблицу 2.2).
На основе проведенного анализа технического уровня (технологических возможностей) оборудования для разборки специализированных колесных пар сложной конфигурации и всесторонней оценки особенностей конструкции и условий распрессовки СКП требуется разработка комплекса критериев, позволяющих оценивать эффективность решений на всех этапах методики проектирования и расчета.
При выполнении теоретических и экспериментальных исследований гидромеханических систем, большое внимание уделено изучению физических процессов и выбору рациональных компоновочных решений проектируемого оборудования.
Проведенный анализ методов проектирования гидромеханических систем тяжелонагруженного оборудования показал, что наиболее эффективным является путь совместного и согласованного изменения компоновки и конструкции механических узлов и гидропривода.
Анализ технического задания позволил определить основные требуемые характеристики установки для распрессовки СКП и по этим данным отобрать из существующих образцов модели установок - прототипов, обладающие близкими характеристикам.
Из описаний отобранных прототипов ГМС вычленяются те параметры характеристики, которые предусмотрены для типовой модели. В установках для распрессовки СКП наиболее важным звеном является базирующая плита, как составляющий элемент ГМС, характеристики которой в большой степени определяют основные показатели жесткости конструкции.
Таким образом, в результате приведения накопленной, по мировому опыту проектирования информации, можно сформулировать задачу 1-го этапа методики:
- отыскать параметры, обеспечивающие лучшие значения определяемых критериев технологической эффективности, и соответствующий вариант компоновочного решения ГМС установки для распрессовки СКП.
Данный этап является логическим продолжением предыдущего этапа ориентации, на котором решается не только задача анализа и выбора лучшего решения из имеющихся, но и задача подбора рациональных компоновочных параметров ГМС в рамках выбранной структуры. Таким образом, поиск здесь трактуется как инженерная задача, сводящаяся к построению рационального компоновочного решения ГМС установки для распрессовки специализированных колесных пар сложной конфигурации, соответствующего конкретным требованиям. Как отмечалось выше, на каждом из этапов разработки определяются критерии качества ГМС в соответствии с требуемыми показателями технического уровня оборудования.
Это положение разработки отражено в создании так называемых компоновочных критериев ГМС. Компоновочные решения оцениваются по общим характеристикам при условии единообразного приведения их исходных данных (тяговых усилий, массогабаритных показателей, технологических возможностей и т. д.). Для этого вводятся компоновочные критерии - оценки жесткостных свойств конструкции, как функции от геометрического расположения узлов, составляющих ГМС. Эта группа указанных критериев позволяет оценить и выбрать компоновочные решения с минимальной величиной пути силового потока, при которой можно обеспечить требуемую жесткость несущих деталей за счет рационального распределения материалов в конструкции, уменьшить общую металлоемкость установки и оценить в относительных единицах степень износа основных элементов ГМС в зависимости от величин действующих между ними сил и моментов. Таким образом, с помощью компоновочных критериев обеспечивается возможность обоснованного выбора компоновочного решения, согласованного с основными показателями технического уровня установки в целом, такими как, металлоемкость, массогабаритные показатели и др.
Для подобного анализа требуется использование расчетной схемы, включающей необходимые компоновочные параметры и позволяющей проследить направление пути силового потока в конструкции ГМС. Подобная типовая модель должна подстраиваться под конкретные величины расстояний между нагружаемыми элементами, относительных размеров между линиями действия сил, центрами масс определяющих узлов данной ГМС и т.д.
Формулируемые критерии определяются, с одной стороны, требованиями технического задания, а с другой однотипными величинами, полученными на предыдущих этапах разработки. Так, например, изгибные деформации, являются определяющими с точки зрения их влияния на основные характеристики ГМС. Аналогично, критерий металлоемкости конструкции, является суммой массовых характеристик отдельных узлов расчетной модели, развивает критерий удельной материалоемкости. [55]
Исходными требованиями при ориентации в мировом опыте проектирования является критерий технологической эффективности (Фэ). Данный критерий оценивает принципиальную возможность разборки СКП сложной конфигурации. Составной частью критерия является условие при котором ширина опорной плиты (3) рисунок 2.15 cо должна быть меньше свободного расстояния между основными элементами СКП ступицей колеса и сопряженной деталью (L1) (см. рисунок 1.2, 1.3)
Особенности метода расчета параметров гидромеханической системы без направляющего ползуна
Рассмотрим обобщнный метод расчета параметров гидромеханической системы с цилиндровым приводом, работающего в широком диапазоне скоростей. Схема расчета представлена на рисунке 3.8, когда действующие усилия от гидроцилиндров и усилие распрессовки располагаются в одной плоскости.
Результаты расчета жесткости и выбор параметров упругой системы установки приведен выше. Экспериментально установлено, что результатом при распрессовке деталей (колеса, шестерни и др.) большого диаметра (до 1000мм), имеющих ограниченную или недоступную поверхность ступичной части является значительная деформация обода колеса при приложении усилий к его торцу (рисунок 2.9). В этом случае возникающий изгибающий момент деформирует штоки гидроцилиндров упирающихся в торец обода колеса, что приводит к значительным изгибающим нагрузкам на опоры штока и поршня. Преодоление возникающих сил трения приводит к дополнительному усилию и соответственно увеличивается давление и мощность электродвигателя гидросистемы.
Определяющей характеристикой гидропривода является величина номинального давления, от которой зависят все массогабаритные показатели: параметры рабочего гидроцилиндра, насосного агрегата и других элементов гидросистемы. Ограничение по прочности колеса, по расчетам ОАО «ТВЗ» и ПАО «ЭНИМС» принято равным 2500 кН.
В нашем случае усилие привода (Pпр) прилагаемое к торцу обода колеса приводит к деформации и изгибу штоков силовых гидроцилиндров. Усилие для распрессовки определялось по экспериментальным данным при демонтаже колес с недоступной ступичной зоной в 2х вариантах: «свежепосаженное» колесо и после длительной эксплуатации.
Наиболее простым конструктивным решением гидромеханической системы является реализация прямого усилия штоков гидроцилиндров в обод колеса (рис. 3.14) без применения дополнительного ползуна с направляющими, которые увеличивают габарит и удорожают установку.
Для расчета сил трения в гидроцилиндрах с данной схемой нагружения можно пользоваться следующими методическими рекомендациями. Известен метод расчета силы трения в цилиндрических сопряжениях в условиях граничного трения на малых скоростях скольжения [69]. Метод основан на сравнении фактической скорости скольжения равномерно нагруженного ползуна с некоторой критической скоростью, при которой режим трения в направляющих при заданной нагрузке становиться чисто жидкостным. В данном случае для нежестких штоков гидроцилиндра работающих с перекосом, этот метод дает существенно заниженные значения сил трения по сравнению с экспериментальными результатами. Причины указанного явления заключаются в наличии дополнительных точек контакта штока и поршня с направляющими при упругих деформациях штока, в которых развиваются дополнительные силы трения.
В общем случае подвижный шток – поршень можно рассматривать как жесткий ползун движущийся в упругих направляющих с зазором при наличии масла. Схема нагружения штока-ползуна при наличии зазора в направляющих показана на рис 3.15.
Сила трения в направляющих по такой схеме определяется по формуле
Используя приведенную схему, можно произвести приблизительный расчет сил трения в направляющих приводного гидроцилиндра (второй симметрично расположенный гидроцилиндр рис.3.14 нагружен аналогично) если предположить:
1. Форма упругой линии ползуна при наличии зазора в направляющих штока и поршня качественно такая же, как в случае ползуна, рассматриваемого как балка на упругом основании, имеющая два участка контакта при существенной разнице между величиной изгибающих моментов по концам.
2. В местах контакта, при наличии всплывания, образуется зазор вдоль длины контактирующего участка рис. 3.14.
3. При достижении режима всплывания в малом сечении масляного клина образуется зазор, равный оптимальной толщине hKp [69] для данной пары материалов (например стальной шток - бронзовая направляющая втулка).
Расчет сил трения разбивается на следующие два основных этапа:
1. Расчет реакций и определение упругой линии ползуна.
2. Определение критической скорости перемещения деформированного ползуна. Такой расчет может быть произведен для каждого из двух участков контакта в отдельности.
Практическая реализация разработанных метода проектирования на примере установки УРКТ1
В качестве примера реализации методов проектирования рассмотрены наиболее сложные КП для разборки которых, в рамках цикла работ по решению научно-технических проблем ОАО «РЖД» а именно - созданию комплекта оборудования для разборки колесных пар скоростных вагонов с дисковыми тормозами и кассетными буксовыми подшипниками (шифр работы 9.2.10.Н), входящего составной частью в станочные системы и цеха по производству и ремонту колесных пар, была разработана установка нового типа для разборки колес и тормозных дисков КП сложной конфигурации - УРКТ1. Описание конструкции и их технические характеристики приведены ниже.
На рисунке (рисунках 4.9, 4.10) приведена установка для распрессовки колес с осей колесных пар, модель УРКТ1, конструкции ПАО «ЭНИМС».
Установка УРКТ1 предназначена для распрессовки колес и тормозных дисков всех типов колесных пар, включая пары типа «ГП 200».
Установка ориентирована на использование в условиях вагоноремонтных предприятий и ремонтных цехов железнодорожных депо.
Установка позволяет производить демонтаж элементов колесных пар с приложением усилия раздельно или одновременно к торцу оси и к ободу колеса.
Установка УРКТ1 (рисунок 4.11) имеет один основной 10 и два дополнительных 7 силовых гидроцилиндра, что позволяет производить распрессовку колс и тормозных дисков на разных типах колсных пар, включая колесные пары скоростных вагонов и тепловозов. Выбор исполнительных гидроцилиндров для разборки каждой конкретной колсной пары производится переключением в соответствующие положения специально спроектированных по предложенной методике гидрораспределителей с ручным управлением, расположенных на передней стороне гидростанции (рисунок 4.5). Дальше управление работой выбранных гидроцилиндров производится с помощью кнопок на пульте управления. Силовой блок 1 включает опорную плиту, шпильки с силовыми гайками и базирующую плиту, закрепленные на основании.
В расточках передней плиты закреплены два дополнительных силовых гидроцилиндра 7. Дополнительные гидроцилиндры работают одновременно и прикладывают к ободу снимаемого колеса усилие, равное половине от усилия основного гидроцилиндра. Схемы разборки различных вариантов специализированных колесных пар на установке УРКТ1 представлены на рисунках 4.12 – 4.14.
В результате проведенных исследований было решены важные проблемы, влияющие на качество разборки оси по обеспечению точности базирования колесной пары, а также определены места и количество точек рационального приложения усилия распрессовки. На разработанной установке были произведены распрессовки разных типов СКП с обеспечением полной сохранности оси. Опытно-промышленные образцы данного оборудования изготавливались, при непосредственном участии автора, на производственных мощностях ПАО «ЭНИМС». С 2009 года установки успешно работает на различных предприятий входящих в ОАО «РЖД».
На рисунке 4.15 ось со снятым колесом и тормозным диском распресованная на новом прессе УРКТ1. В 2009 году на Московском Вагоностроительном заводе им. Войтовича автором был введен в эксплуатацию опытный образец установки УРКТ1, который, в отличие от установок старых моделей, позволяет выполнять распрессовку всех типов колесных пар, без ограничений рисунок 4.16. В данной установке в составе коллектива, автором реализован предложенный принцип (патент RU, № 2411113, приложение А) осесимметричной компоновкой при встречном расположении силовых цилиндров и непосредственной передачей усилия от штоков на обод колеса.
Установки позволяют производить демонтаж элементов колесных пар с приложением усилия раздельно или одновременно к торцу оси и к ободу колеса. В качестве примера в таблице 4.3 представлены сравнительные характеристики установок старого типа и моделей установок нового поколения. Установки с дополнительными цилиндрами, симметричной компоновкой по всем важнейшим показателям технического уровня (удельной материалоемкости, использовании энергии и т.д.) имеют лучшие характеристики.
Сравнительный анализ качества компоновочных решений установок для разборки колесных пар сложной конфигурации, показал, что можно на самой ранней стадии разработки принять принципиально важное решение по компоновке установки, что позволит создать оборудование более высокого качества по основным характеристикам. Масса установок снизилась в два раза, габариты установки уменьшены в 1,5 раза, снижена приводная мощность используемого оборудования на 45% (см. таблицу 4 .3).