CC BY
43
Кузнецов Юрий Александрович, магистрант, sciencenewt1@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Тарасов Евгений Сергеевич, магистрант, sciencenewt1@,gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Смикалин Никита Сергеевич, магистрант, sciencenewt1@,gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICATION AND CONSTRUCTIONS OF LIFTING-TRANSPORT MACHINES DURING
CONSTRUCTION
Y.A. Kuznetsov, E.S. Tarasov, N.S. Smikalin
The article is available application of lifting and transport vehicles during construction. Given the general characteristics, design features, advantages and disadvantages of some types of PTM.
Key words: lifting and transporting machines, construction, cranes, lifts, loaders.
Kuznetsov Yurij Aleksandrovich, master student, sciencenewt1 @,gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Tarasov Evgeny Sergeevich, master student, sciencenew t1 @,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Smikalin Nikita Sergeevich, master student, sciencenew t1 agmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 625.144.5
КОМПЛЕКС ДЛЯ РАБОТЫ С ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ АНКЕРНЫМИ РЕЛЬСОВЫМИ СКРЕПЛЕНИЯМИ «ПАНДРОЛ»
А. А. Шубин, П.В. Витчук, В.В. Ромашов
В работе предлагается комплекс для работы с железнодорожными анкерными рельсовыми скреплениями «Пандрол». Поднят вопрос о тенденциях развития российских железных дорог. Рассмотрена конструкция рельсового скрепления. Выявлены преимущества и недостатки существующих машин и инструментов для работы с рельсовыми скреплениями. Представлена схема комплекса, состоящего из существующих доработанных частей и оригинальных элементов. Представлена схема рабочей установки, описана её конструкция и принцип работы. Предложены варианты альтернативной реализации её конструкции.
Ключевые слова: высокоскоростное движение, железная дорога, бесстыковой путь, рельсовые скрепления, комплекс.
Современное железнодорожное сообщение немыслимо без высоких скоростей, как основы инновационного развития железных дорог и эффективного инструмента для решения важных социально-экономических задач в масштабах всего государства.
Под высокоскоростной магистралью понимается новая специализированная железнодорожная линия, предназначенная для поездов со скоростями движения от 200 до 400 км/ч, а скоростное движение - перевозка пассажиров со скоростями от 140 до 200 км/ч по модернизированным существующим линиям. Реализация проектов скоростного и высокоскоростного движения позволяет обеспечить динамический рост экономики страны, повышает её устойчивость, а также способствует развитию бизнеса в различных регионах страны.
Увеличение скоростей движения и нагрузки на железнодорожный путь предъявляют повышенные требования ко всем элементам верхнего строения пути, таких как балластная призма и элементы рельсошпальной решетки. Одним из таких важных узлов является скрепление рельса со шпалой.
С начала 2000-х годов путевой комплекс ориентирован на перевод пути на упругие скрепления, обеспечивающие неподвижность рельсовых плетей и неизменность температуры их закрепления в процессе эксплуатации, так как они за счет упругой клеммы обеспечивают более плотное прижатие рельса к основанию [1].
В настоящее время на сети железных дорог в России применяются различные типы скреплений, в том числе упругие скрепления различных конструкций используются почти на 40 тысячах километров пути [2].
Наибольшее распространение на грузонапряженных магистралях с бесстыковым путём получило рельсовое скрепление АРС. Использование данного типа скреплений позволяет получить значительный экономический эффект за счёт снижения эксплуатационных расходов, однако данный тип скреплений рассчитан на скорости движения до 140 км/ч.
Концерном «Рапёго1 ЦК» разработано высокоэффективное скрепление «Пандрол Фастклип» (далее - Пандрол), рассчитанное на движение подвижного состава со скоростью до 350 км/ч [3].
Несомненным преимуществом этого скрепления является повышение эффективности путеукладочных работ за счёт полной предварительной сборки участков рельсошпальной решетки на специализированных предприятиях. В принятом в Российской Федерации технологическом процессе укладки бесстыкового пути на первом этапе в путь укладывается технологическая рельсошпальная решетка с длиной одной секции 25 м, после чего происходит отсоединение рельсов от шпал, затем удаляются технологические рельсы, а на их место укладывается звено бесстыкового пути. После этого с помощью скреплений рельсы фиксируются на шпалах.
Скрепления Пандрол поставляются предварительно собранными на шпале в положении «парковки». После укладки шпал и установки рельсов скрепление простым нажатием на клемму приводится в рабочее положение. Для проведения профилактических и ремонтных работ служит «положение для замены изолятора».
В конструкции скрепления Пандрол в сравнении со скреплениями типа КБ, ЖБР, АРС меньше деталей - на каждый километр пути расходуется в среднем на 20 тонн меньше металла. Это сокращает затраты на текущее содержание пути в 5 раз по сравнению с болтовым скреплением и в 2,5 раза по сравнению со скреплением АРС [4].
Скрепление Пандрол (рис. 1) обеспечивает закрепление рельса 1 к подрельсовому основанию безболтовым способом с помощью фиксирующего анкера 2 и пружинной прутковой клеммы 3. Необходимое усилие прижатия достигается, когда клемма приводится в рабочее положение. На П-образном изгибе в средней части клеммы зафиксирован прижимной изолятор 4, обеспечивающий электроизоляцию подошвы рельса и анкера. Боковые изоляторы 5 устанавливаются на анкеры и обеспечивают стабильность ширины рельсовой колеи, а также электроизоляцию подошвы рельса от выступов анкеров. В узле скрепления используется подрельсовая прокладка 6 толщиной 10 мм, которая изготавливается из термоэластопласта с выступами для препятствия ее смещению. Применение данного скрепления исключает необходимость в приложении точного момента затяжки, как в скреплениях с резьбовыми и шурупными соединениями, а также регулярные работы по смазке и очистке соединений.
1 5 6 4 2 3
1
Рис. 1. Составные части скрепления Пандрол: 1 - рельс; 2 - фиксирующий анкер; 3 - прутковая клемма; 4 - прижимной изолятор; 5 - боковой изолятор; 6 - подрельсовая
прокладка
Для проведения работ по обслуживанию и текущему содержанию скреплений Пандрол существует разработка компании «Яо8епду1в1» - высокопроизводительная машина СБ500 [5]. Она обеспечивает полностью
86
автоматический процесс работы по изменению положения клемм и рассчитана на большой объем работ на перегонах до 20 км пути в час. Эта машина имеет дополнительные функции, такие как возможность поднятия и удержания рельса во время снятия напряжения, а также возможность установки различного дополнительного оборудования.
В процессе эксплуатации железнодорожного пути возникает необходимость выполнения локальных ремонтных работ в случае отказа отдельных элементов рельсошпальной решетки или изменения положения пути в пространстве. В этом случае объем выполняемых работ с рельсовыми скреплениями относительно невысок и применение высокопроизводительной машины СБ500 экономически нецелесообразно. Кроме того, эти виды ремонтных работ проводятся без остановки движения на перегонах. При выполнении таких работ целесообразно применение специализированного путевого инструмента, который бы мог доставляться к месту выполнения работ силами ремонтной бригады, а также при необходимости сниматься с пути на откос.
Распоряжением ОАО «РЖД» от 12.11.2012 № 2270р утверждена инструкция по работе со скреплением Пандрол-350 [6]. Этот документ регламентирует инструмент, применяемый для работы с данным типом скрепления при текущем содержании и ремонте железнодорожного пути.
На предприятиях в Российской Федерации были начаты работы по созданию установок, обеспечивающих полуавтоматическую работу со скреплением Пандрол. В результате был создан механизированный путевой инструмент «Машина монтажно-демонтажная» (ММД) [7], предназначенный для механизации работ, связанных с обслуживанием скрепления. Машина состоит из ходовой тележки и закрепленного на ней рабочего органа, представляющего собой гидравлическую насосную станцию и клещи, приводимые в движение гидроцилиндром. Данный инструмент оснащён одним рабочим органом, что позволяет выполнять работу лишь на одной рельсовой нити, и, как следствие, имеет невысокую производительность, а также требует непосредственного участия человека в процессе работы. Невысокая производительность в сочетании со значительной физической нагрузкой на оператора ограничивает область её применения.
Поэтому возникла необходимость разработки комплекса для работы со скреплениями Пандрол, свободного от указанных недостатков. Основными требованиями, предъявляемыми к комплексу, являются: мобильность, возможность оперативной доставки к месту выполнения работ и возможность автоматически производить работу со всеми скреплениями на одной шпале. Также должна быть обеспечена возможность снятия комплекса с пути силами путевых рабочих для пропуска поездов в случае необходимости. Реализация указанных требований возможна на основе принципа модульности конструкции комплекса, а также вариативности его составных частей.
На основе анализа имеющегося опыта по созданию и эксплуатации механизированного инструмента для работы со скреплением Пандрол, предлагается комплекс (рис. 2), который включает в себя установку для работы со скреплениями 2, доставляемую к месту работы с помощью дрезины 1 [8]. Для этого дрезина оснащается дополнительной площадкой 3, присоединяемой к раме с помощью фланцев и болтов. Дрезина самоходная и содержит 5 посадочных мест для рабочей бригады, также дополнительно оснащается узлом сцепки 5, позволяющим буксировать платформу с дополнительным персоналом и инструментом. На площадке предусмотрены фиксаторы 4 для крепления установки в транспортном положении.
13 2 4 5
Рис.2. Предлагаемая конструкция комплекса для работы со скреплениями Пандрол: 1 - дрезина транспортная; 2 - установка для работы со скреплениями; 3 - дополнительная площадка;
4 - фиксаторы; 5 - узел сцепки
Установка для работы со скреплениями (рис. 3) самоходная и состоит из рамы 1, на которой закреплены четыре ходовых катка 2, два из которых приводные. Привод осуществляется с помощью мотор-редуктора 3 и двух трансмиссионных валов 4. На раме закреплены исполнительные механизмы для работы со скреплениями 5, а также энергетическая установка 6, состоящая из генератора с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Исполнительный механизм представляет собой рычажный шар-нирно-сочлененный параллелограмм, осуществляющий монтаж и демонтаж клемм с помощью закрепленных в нижней части зацепов 7. Привод исполнительного механизма осуществляется от механизма электрического прямоходного (МЭП) [9]. Данный привод включает в себя электродвигатель, зубчато-ременную передачу и шарико-винтовую передачу. Особенностью данной конструкции является наличие шарико-винтовой пары, обеспечивающей вовратно-поступательное движение штока. Достоинством привода является возможность регулирования линейной скорости в широком диапазоне, а также обеспечивать высокую нагрузочную способность и длительный ресурс.
На раме установки закреплены четыре выдвижные опоры 8, при выдвижении которых установка приводится в транспортное положение и фиксируется на транспортировочной площадке.
4 5 3 6 1 2 8 7
Рис. 3. Установка для работы с рельсовым скреплением Пандрол: 1 - рама; 2 - ходовой каток; 3 - мотор-редуктор;
4 - трансмиссионный вал; 5 - исполнительный механизм;
6 - энергетическая установка; 7 - зацеп;
8 - транспортировочные опоры
Работа установки осуществляется в следующей последовательности: она устанавливается на путь, после чего включается дизель-генератор. Рабочим на пульте задается режим работы - перевод клемм из положения парковки, для замены изолятора, в рабочее положение, или другие варианты, после чего работа установки происходит в автоматическом режиме. Рабочий цикл состоит из следующих операций: движение между клеммами, остановка, рабочий ход клещей исполнительного механизма в соответствующем направлении, возвращение клещей в исходное положение. Далее цикл повторяется. Точное позиционирования клещей в районе клемм осуществляется с помощью специального упора, оборудованного электромагнитом.
Для предлагаемой конструкции установки проработан вариант замены электрических приводов на гидравлические. В этом случае вместо мотор-редуктора приводной тележки применяется гидромотор с целью улучшения плавности разгона и торможения, а также возможности регулирования скорости передвижения. Другим преимуществом использования гидропривода является замена сложного по конструкции механизма электрического прямоходного на гидроцилиндр. Это позволит повысить производительность вследствие увеличения быстродействия исполнительного механизма.
Принцип работы (рис. 4) основан на воздействии гидроцилиндра 1 на подвижные рычаги 6 через подшипниковые опоры 2. Для исключения колебаний рычагов относительно неподвижной металлоконструкции 5, в конструкции предусмотрены внутренние 3 и наружные 4 упоры.
4 2 1 3 5 6
Рис. 4. Исполнительный механизм с приводом от гидроцилиндра: 1 - гидроцилиндр; 2 - подшипниковая опора; 3 - внутренние упоры;
4 - наружние упоры; 5 - металлоконструкция; 6 - рычаг
В рамках модернизации дрезины также проработан вариант оснащения ее бесступенчатой коробкой передач. В этом случае становится возможным передвижение установки вдоль рабочей зоны с помощью дрезины, что позволяет отказаться от собственного привода, упрощая конструкцию.
Для оценки эффективности работы установки в зависимости от типа привода исполнительного механизма в программной среде LabView [10, 11] был разработан виртуальный прибор, представляющий собой математическую модель работы установки. Модель отображает фактический цикл работы исполнительных механизмов, а также учитывает допуск расстояния между осями шпал бесстыкового пути (в предположении о его нормальном распределении). Последовательное выполнение операций реализовано в виде структуры конечного автомата, содержащего несколько последующих операций: работа механизма передвижения; выдвижение упоров; работа рабочего механизма; задвижение упоров.
На каждой операции рассчитывается время, необходимое для её завершения. После выполнения последней операции цикл повторяется.
Данная структура выделена в подпрограмму и используется в основной программе как вспомогательный элемент. Основная программа представляет собой цикл, в котором число итераций совпадает с количеством шпал на участке выполнения работ. Расстояние между шпалами представляет собой указанную пользователем величину с учётом поля допуска. В границах поля допуска расстояние изменяется случайно на каждой шпале по закону нормального распределения.
Блок-диаграмма виртуального прибора (рис. 5) включает в себя блок входных данных 1, предназначенный для внесения в программу пользовательских данных, блок ввода случайной величины расстояния между шпалами 2, цикл подсчёта операционного времени 3 и блок вывода результатов 4.
г
Скорость гидравлического механизма, мм/с I) 0В1 ►
I_______I
Рис. 5. Блок-диаграмма математической модели работы установки: 1 — блок входных данных; 2 — блок ввода случайной величины; 3 — цикл подсчёта операционного времени; 4 — блок вывода результатов
На каждой итерации цикла в основной программе рассчитывается время, необходимое комплексу для выполнения всех операций на каждой шпале и результат передается на следующую итерацию. Массив значений времени для каждой шпалы выводится на график.
На рис. 6 приведен результат работы программы, содержащий графики количества циклов работы для гидравлического 1 и электрического 2 приводов исполнительного механизма. По оси абсцисс отложено время, необходимое установке с данным типом привода на выполнение соответствующих операций, ординат - количество циклов работы. Результаты позволяют сделать вывод, что гидравлический привод более эффективен с точки зрения производительности.
Рис. 6. График зависимости количества выполненных шпал от времени: 1 — для варианта с гидравлическим приводом;
2 — для варианта с электрическим приводом
С использованием программного обеспечения LabView также была разработана логическая схема управления установкой, которая включает в себя блок входных сигналов, блок управления механизмами и блок вывода цифровой информации.
При разработке программы в алгоритм заложено изменение положение клемм скреплений на кривых участках железнодорожного пути с учётом различного расстояния между осями концов смежных шпал.
Включение исполнительных механизмов происходит, когда они занимают рабочее положение относительно шпалы.
Данный алгоритм может быть использован при разработке системы автоматического управления рабочей установкой на основе программируемого контроллера с числовым программным управлением.
В процессе исследования были получены следующие результаты:
1. Предложена конструкция мобильного комплекса для выполнения работ по текущему содержанию пути на скреплениях Пандрол.
2. Предложена конструкция автоматического путевого инструмента для работы со скреплением Пандрол.
3. Применение предлагаемого механизированного путевого инструмента позволит автоматизировать основные операции по установке и снятию клемм в объеме до 1200 скреплений в час.
Результаты исследования могут быть востребованы производителями механизированного путевого инструмента для создания опытного образца предлагаемого комплекса или его составных частей.
Список литературы
1. Евразия вести №7, 2015. [Электронный ресурс] URL: http://www.eav.ru/publ1.php?publid=2015-07a09 (дата обращения: 15.02.2019).
2. Инновационный дайджест. [Электронный ресурс]. URL: http://www.rzd-expo.ru/innovation/infrastructure/way and structures/ (дата обращения: 20.02.2019).
3. Pandrol UK [Электронный ресурс] URL: https://www.pandrol.com/ (дата обращения: 18.02.2019).
4. Современные тенденции развития науки и технологий: сборник научных трудов по материалам III Международной научно-практической конференции 30 июня 2015 г.: в 6 ч. / под общ. ред. Е.П. Ткачевой. Белгород: ИП Ткачева Е.П., 2015. Ч. I. 144 с.
5. High output clipper CD500 safelok III - track renewal. [Электронный ресурс]. URL: http://www.rosenqvistrail.com/product/high-output-clipper-cd500-safelok-iii/ (дата обращения: 15.02.2019).
6. ОАО «РЖД» Инструкция на сборку, укладку и эксплуатацию пути с анкерным рельсовым скреплением Пандрол-350 на железобетонных шпалах, 2012. 112 с.
7. Машина ММД для обслуживания скреплений Пандрол-350. [Электронный ресурс]. URL: http : //www.zdm .ru/products/putevoj -instrument/ mashina-mmd-dlya-obsluzhivaniya-skreplenij-pandrol-350 (дата обращения: 10.02.2019).
8. Дрезина транспортная ТД5М. [Электронный ресурс]. URL: http://kalugatransmash.ru/products/81/ (дата обращения: 23.02.2019).
9. Линейные актуаторы нового поколения производства «Сибирь-мехатроника». [Электронный ресурс]. URL: http://sibmech.ru/ mechanizmy-MEP/statyi-publikacii-1 /actuators/ (дата обращения: 18.02.2019).
10. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ДМКПресс, 2011. 904 с.
11. Vitchuk P.V., Antsev V.Y., Obozov A.A. Lifting Mechanism with Ribbon Brake. In: Radionov A., Kravchenko O., Guzeev V., Rozhdestvenskiy Y. (eds) Proceedings of the 4th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2018. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. (9783319956299), 2019. P. 2063-2070. DOI https://doi.org/10.1007/978-3-319-95630-5 222.
Шубин Александр Анатольевич, канд. техн. наук, зав. кафедрой Shubin55@,mail. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доцент, zzz Ventor@yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Ромашов Владислав Викторович, студент, vladi4ka 71 @yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
COMPLEX FOR WORK WITH RAILWAY ANCHOR RAILS ARE «PANDROL A.A. Shubin, P. V. Vitchuk, V. V. Romashov
In work the complex is offered for work with the railway anchor rail fastenings "Pandrol". A question has been raised about the development trends of Russian railways. Considered the design of rail fasteners. The advantages and disadvantages of existing machines and tools for working with rail fasteners are revealed. The scheme of the complex consisting of existing modified parts and original elements is presented. The scheme of the working installation is presented, its construction and operation principle is described. Variants of alternative implementation of its design are proposed.
Key words: high-speed traffic, railways, seamless track, rail fastenings, complex.
Shubin Alexander Anatolyevich candidate of technical sciences, head of the Department, Shubin55@mail. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, docent, zzz Ventorayandex. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Romashov Vladislav Viktorovich, student, vladi4ka 71 ayandex. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
