CC BY
12
УДК 625.144.5
ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЩЕТОЧНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ПУТЕВЫХ МАШИН ЛЕГКОГО ТИПА
Н.Г. Гринчар, А.Ю. Быков, М.Ю. Чалова
Рассматриваются результаты испытаний физической модели щеточного подборщика перспективной путевой машины легкого типа КПУ-1. Показано, что в случае применения комбинированной системы лопастей на щеточном подборщике (сочетание тросовых и резино-тканевых лопастей) достигается наилучший эффект при очистке шпал от излишков балласта (щебня) и загрязнителей.
Ключевые слова: путевые машины легкого типа, щеточный подборщик, физическое моделирование, теория подобия.
Значительное место среди путевых работ занимает очистка железнодорожных путей от засорителей и снега (в зимнее время) [1]. При этом уровень механизации составляет на сегодняшний день 60...65 %, что является недостаточным с позиции современных требований к уровню механизации путевых работ. Отечественными конструкторами разработан ряд машин легкого типа для решения этой задачи.
Рабочим органом машин для выполнения путевых работ является щеточный подборщик с гибкими лопастями, обеспечивающий уборку засорителей и балласта ниже уровня головки рельса, не повреждая элементы конструкции железнодорожного пути и стрелочных переводов. 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 машинах гибкие лопасти представляют собой отрезки стального каната диаметром 16,5.21 мм.
Одной из перспективных моделей является машина КПУ-1, находящаяся в настоящее время на стадии внедрения в производство (рис. 1) [2].
Рис. 1. Комплекс путевой универсальный КПУ-1 с блоком очистки
верхней постели шпал
251
Щеточный подборщик машины может быть выполнен в трех исполнениях: с тросовыми лопастями, с резинотканевыми лопастями, и комбинированный вариант [3].
Очевидно, что для корректного выбора наилучшего варианта необходимы экспериментальные исследования, причем на предварительном этапе, согласно рекомендациям В.И. Баловнева, их целесообразно производить на физической модели [4].
Во время экспериментальных исследований проверяются рабочие гипотезы и предположения, устанавливаются конкретные зависимости и величины, а также формируются новые представления об исследуемом объекте.
Активный эксперимент позволяет задавать значения факторов по заранее определенному плану, а экспериментатор имеет возможность оказывать активное влияние на ход эксперимента. Научно-методической основой формирования физических моделей является теория подобия [4].
Подобие характеризуется пропорциональностью всех величин, определяющих их количественную и качественную стороны.
Геометрическое подобие определяется пропорциональностью всех линейных размеров (ki = const) и равенством всех соответствующих углов.
Кинематическое подобие системы определяется тождественностью направления и пропорциональностью действующих скоростей и ускорений (kv, a = const).
Динамическое подобие системы характеризуется тождественностью направлений и пропорциональностью векторов сил, моментов и мощностей (kp, M, N = const).
Критерии подобия - это системы безразмерных соотношений, формирующихся на основании теории подобия. Получение критериев подобия зависит от анализа предварительной информации о моделируемом явлении на уровне гипотезы, и при отсутствии этой информации создание модели исследуемого объекта практически невозможно.
В зависимости от параметров исходных данных применяются необходимые методы определения критериев подобия. Наибольшее распространение получили методы анализа уравнений, анализа законов и анализа размерностей.
Взяв за основу систему критериев подобия, и дополнив ее критерием эффективности очистки, получаем критерии подобия процессов, протекающих в подсистеме «щеточный рабочий орган - очищаемая поверхность»:
П = kik, П 2 = ai,
<П3 =©i, (1)
П 4 = V/ (fflR), П5 = Э,
где Ц и Ц - определяющий линейный размер натурного образца и модели, м; аг- - угловой размер, рад; ю - угловая скорость, рад/с; ^ - время, с; V -линейная скорость, м/с; Я - радиус цилиндрической щетки, м; Э - эффективность уборки, %.
Критерии Щ и П 2 определяют пропорциональность соответственных сторон и равенство углов модели и натурного образца, т. е. их геометрическое подобие, критерии П3 - П5 обеспечивают кинематическое подобие.
При независимых масштабах Щ = 4, ка = 1, кг = 1 индикаторы подобия:
кю = кг; V 2 = кю ' к1; V1 = V 2; кП = к' V1-
Отсюда следуют формулы перехода от параметров модели к параметрам натурного образца (таблица).
Надежность результатов эксперимента при моделировании зависит как от степени соответствия модели натурному образцу, так и от уровня квалификации экспериментатора, измерительной аппаратуры, метода измерений [4]. Математическая теория планирования эксперимента и статистическая обработка результатов эксперимента существенно сокращают количество опытов, так же уменьшается время проведения эксперимента. В результате становится возможным получение математической модели исследуемого процесса.
Формулы перехода от параметров модели к параметрам натурного _образца _
№ п/п Наименование показателя Формулы перехода
1 Линейный размер Цн = 1м • к1
2 Угловой размер ан = ам
3 Угловая скорость юн =Юм
4 Линейная скорость V II •
5 Эффективность Э = Э Эн Эм
Надежность результатов эксперимента при моделировании зависит как от степени соответствия модели натурному образцу, так и от уровня квалификации экспериментатора, измерительной аппаратуры, метода измерений [4]. Математическая теория планирования эксперимента и статистическая обработка результатов эксперимента существенно сокращают количество опытов, так же уменьшается время проведения эксперимента. В результате становится возможным получение математической модели исследуемого процесса.
Проведенный эксперимент преследовал двоякую цель.
Во-первых, было необходимо оценить силы резания при работе как резиновыми, так и тросовыми лопастями, и, во-вторых, оценить качество очистки верхней поверхности шпал от щебня при использовании различных конструкций лопастей.
Для проведения исследования в масштабе 1:4 была изготовлена физическая модель щеточного подборщика машины КПУ-1 с комбинированным вариантом конструкции лопастей (рис. 2) [3], состоящая из рабочего органа 1, на котором находятся резиновые 2 и тросовые лопасти 3. Модель приводится в движение от рукояти 4. Рабочий орган через опоры 7 устанавливается на рельсы 5. Далее происходит вращение рукояти 4 и очистка шпал 6 от засорителей.
Исследования на физической модели проводились в лабораторных условиях.
Рис. 2. Общий вид физической модели: 1 - щеточный рабочий орган; 2 - резиновые лопасти; 3 - тросовые лопасти; 4 - рукоять; 5 - рельсы; 6 - шпалы; 7 - опоры щеточного
рабочего органа
Задав величину прижатия щетки к очищаемой поверхности, определялись прогибы резиновых и тросовых лопастей (рис. 3).
Рис. 3. Схема определения сил взаимодействия с очищаемой поверхностью: Н -расстояние от центра вращения подборщика до балластного слоя; АЬ -величина прогиба; I - величина отклонения лопасти от положения вертикали; й -диаметр подборщика; Ьрук - длина рукоятки подборщика; ¥ -усилие, действующее на рукоять; Р -горизонтальная проекция силы резания
254
Результаты эксперимента на физической модели представлены на графиках (рис. 4).
О " 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Прогиб АЬ. м
—«^Резиновая попасть -о-Тросовая (стальная) лопасть
Рис. 4. Зависимость крутящего момента на валу подборщика
от прогиба лопасти
Соответственно усилие резания балласта ^ определится как
F = м/н, (2)
где М - крутящий момент на валу щеточного подборщика, Нм; Н - расстояние от оси подборщика до балластного слоя, м.
Таким образом, в ходе физического эксперимента на модели было установлено следующее:
с точки зрения энергозатрат применение резиновых лопастей является менее выгодным чем тросовых;
качество очистки шпал с применением резиновых лопастей существенно выше (оценка проводилась визуально);
наилучший эффект достигается применением комбинированного варианта лопастей.
Список литературы
1. Попович М.В., Бугаенко В.М. Путевые машины. М.: УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте, 2019. 960 с.
2. Гринчар Н.Г., Быков А.Ю., Капустин Н.И. Современные и перспективные машины легкого типа для очистки рельсошпальной решетки // Путь и путевое хозяйство. 2019. № 9. С. 18-21.
3. Патент на полезную модель 189746. Рабочий орган универсальных путевых машин легкого типа / А.Ю. Быков, Н.Г. Гринчар. Опубл. 02.10.2018. Бюл. №1.
4. Баловнев В.И. Подобие и моделирование в системе проектирования дорожно-строительных машин: учеб. пособие. М.: МАДИ, 2014. 148 с.
255
Гринчар Николай Григорьевич, д-р техн. наук, профессор, nggrin@yandex. ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ),
Быков Андрей Юрьевич, научный сотрудник, [email protected], Россия, Москва, 3-й Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации,
Чалова Маргарита Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, margarita chalovaamail.ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ)
STUDIES OF THE PHYSICAL MODEL OF THE BRUSHWORK WORKING BODY OF THE
LIGHTWAY TRAVELING MACHINES
N.G. Grinchar, A.Yu. Bykov, M.Yu. Chalova
The results of tests of a physical model of a brush picker of a promising lightweight traveling machine KPU-1 are considered. It is shown that in the case of using a combined system of blades on a brush pick-up (a combination of cable and rubber-fabric blades), the best effect is achieved when cleaning the sleepers from excess ballast (crushed stone) and pollutants.
Key words: lightweight track machines, brush picker, physical modeling, similarity
theory.
Grinchar Nikolay Grigoryevich, doctor of technical sciences, professor, nggrinayandex. ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT),
Bykov Andrey Yuryevich, research worker of a 41 laboratories of the research testing center, andrei_18bykov@mail. ru, Russia Moscow, The 3-rd the Central Research Institute of Department of Defense of Russian Federation,
Chalova Margarita Yuryevna, candidate of technical sciences, docent, margarita chalova a mail. ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT)
