CC BY
7
МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН
УДК 625.144.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-426-432
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЩЕБНЕОЧИСТИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Н.Г. Гринчар, Д.С. Федасов, М.Ю. Чалова
Рассмотрена возможность имитационного компьютерного моделирования гидропривода барового органа современных путевых щебнеочистительных машин. Показано, что применение программы БтыШНопХ позволяет исследовать характер работы гидропривода при запуске рабочего процесса (вырезание щебня из-под рельсошпальной решетки) при различных исходных характеристиках как самого привода, так и объекта воздействия.
Ключевые слова: щебнеочистительная машина, вырезающее устройство, объемный гидропривод, колебания давления.
Развитие экономики в стране требует эффективной работы железных дорог, что ставит перед инженерами, научными работниками, экономистами целый ряд вопросов, без решения которых невозможно дальнейшее развитие этой отрасли. В свою очередь, развитие железнодорожной сети невозможно без соответствующего роста объемов и качества ремонта пути.
При ремонте и строительстве железных дорог, важную роль играют щебнеочисти-тельные машины, составляющие значительную часть парка современных путевых машин (см. рис.1).
Рис. 1. Общий вид щебнеочистительной машины ЩОМ-1200С
Основным рабочим органом современных щебнеочистительных машин является вырезающее устройство, в состав которого входит скребковая цепь, оснащенная зубьями-рыхлителями [1]. У основных типов применяемых машин привод цепи осуществляется гидромотором большой мощности. Применение гидропривода объясняется рядом его известных преимуществ при взаимодействии с объектами воздействия типа щебеночного балласта.
Для более подробного изучения процессов, протекающих в гидроприводе вырезающего устройства, воспользуемся возможностями, которые на сегодняшний день обеспечивают современные программные продукты, в частности такие, как SimulationX.
Программа SimulationX - это междисциплинарный программный комплекс для моделирования физико-технических объектов и систем, который разработан и продается на коммерческой основе фирмой ITIGmbH (Германия, Дрезден). На единой платформе программа моделирует поведение и взаимодействие различных объектов механики (1-D и 3-D), приводной техники, электрических, гидравлических, пневматических и термодинамических систем, а также магнетизма и аналоговых и цифровых систем управления [2].
Программный комплекс SimulationX содержит предварительно подготовленные типы элементов, которые собраны в библиотеки для различных разделов физики. Для одной модели можно использовать элементы из всех библиотек, например, гидравлические, электрические, пневматические элементы, а также элементы управления, что позволяет наблюдать и анализировать поведение системы.
Применение SimulationX позволяет решать следующие задачи:
- моделирование системы во временной и частотной областях, моделирование переходных процессов в линейных и нелинейных системах или стационарное моделирование для расчета модели в периодическом состоянии (линейном и нелинейном);
- моделирование с помощью библиотеки моделей, которые разделены по моделируемым физическим приложениям с готовыми типами стандартных элементов;
- проведение интегрированного анализа систем, вариационные вычисления с помощью дополнительных инструментов и интерфейсов SimulationX.
Ниже приведены основные элементы библиотеки Hydraulics, как представляющие наибольший интерес для компьютерного моделирования. Входные параметры для каждого элемента максимально упрощены и соотносятся с аналогичными параметрами реальных устройств. В зависимости от доступных значений пользователь может выбирать между различными способами описания физических явлений. Свойства жидкости, требуемые в моделировании, вычислены, как функции давления, температуры и газовой фракции, и сохранены в полной и расширяемой пользователем базе данных. Основные элементы гидравлической библиотеки представлены на рис. 2.
pKjrnpMotor^arl
eftHuieRtJlilVilvet
те
pumpMotQf 1 pi^rnpV'artoniFolledl propDi
t г IT i r st
1
V
1 т ХЛ,
iMY
Рис. 2. Элементы библиотеки Hydraulics (гидравлика): 1 - гидроцилиндр; 2 - насос-мотор реверсивный регулируемый; 3 - предохранительный клапан; 4 - гидробак; 5 - насос-мотор реверсивный; 6 - насос регулируемый; 7 - гидрораспределитель
В работе [0] для анализа процессов, происходящих в гидроприводе вырезающего устройства, была разработана и проанализирована динамическая модель объемного гидропривода с энергетической установкой в виде дизельного двигателя. Соответствующая схема представлена на рис. 3 [0].
Рис. 3. Динамическая модель объемного гидравлического привода скребковой цепи с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости 427
На рис. 3 обозначены: pn, ps - давления в напорной и сливной линиях гидравлической системы; pon, pos - давления зарядки газом гидропневмоаккумуляторов в напорной и сливной линиях; Von, Vos - объемы гидропневмоаккумуляторов в напорной и сливной линиях; en, es - гидравлические податливости напорной и сливной магистралей; Q^ - расход подпи-
точного клапана; X - параметры регулирования насоса, 0 < X < 1; r^, r^ - коэффициенты объемных утечек насоса и мотора; Mn, Mm - моменты на валу насоса и гидромотора; шп, &m - скорости вращения насоса и гидромотора; I^, Im - приведенные к валу насоса и валу гидромотора моменты инерции привода и масса цепи; &en, &em - скорости вращения вала дизеля в номинальном режиме и режиме максимального момента; Qs - расход насоса подпитки; ф - угол поворота звездочки привода цепи; ir - передаточное отношение редуктора; M -
момент сопротивления движению на валу приводной звездочки.
Моделирование гидропривода произведем в соответствии с динамической моделью
[0].
Предлагаемая ниже модель использует нагрузку, описанную как движение массы с учетом силы трения и дополнительной нагрузки по скорости, а также не статический характер приведения в движение гидравлической системы, когда для вращения вала гидромотора используется источник постоянной скорости, что, хотя и позволяет получить достаточно точные результаты, но не в полной мере соответствует действительности.
Для компьютерной модели используем стандартные блоки программного комплекса SimulationX:
- модуль рядного четырехцилиндрового дизельного двигателя номинальной мощностью 450 кВт и с номинальной скоростью вращения 1500 об/мин;
- модуль ременной передачи, обеспечивающей снижение скорости вращении до номинальной скорости вращения мотора - 160 об/мин;
- регулируемый гидронасос аксиально-поршневого типа с рабочим объемом
750 см3;
- гидроаккумулятор, выравнивающий колебания в гидравлической системе;
- предохранительный клапан, обеспечивающий сброс давления;
- регулируемый гидромотор аксиально-поршневого типа с рабочим объемом
710 см3;
- блок ввода и корректировки параметров;
- одноступенчатый шестеренный редуктор, обеспечивающий повышение момента на выходном валу вырезающего устройства с передаточным отношением 1,15;
- элементарный блок преобразования вращательного движения в линейное перемещение (следует отметить, что речь идет не о механическом преобразователи типа реечной передачи);
- блок массовой нагрузки;
- блок сопротивления трению;
- блок элементарного сигнала.
В программе SimulationX реализовано подключение для каждого типа соединения элементов (гидравлическое, механическое (линейное и вращательное), сигнальное (управляющее воздействие)), часть элементов подключается сразу по нескольким типам, так, например, регулируемые гидромотор и гидронасос имеют по три типа подключений:
1) гидравлическое (вход и выход);
2) механическое (вращательное);
3) сигнальное (управление регулируемым параметром).
Полное подключение схемы происходит следующим образом - от дизельного двигателя вращение передается по механическим соединениям на понижающую передачу, соединенную с валом регулируемого гидронасоса, питающегося от элементарного источника гидравлической жидкости.
На гидронасос воздействует управляющий сигнал «1». Гидронасос соединен с гидромотором, на который также воздействует равный «1» управляющий сигнал.
Механическое соединение - вал гидромотора соединен с редуктором, который в свою очередь подключен к элементарному блоку преобразования вращательного движения в поступательное.
В качестве нагрузки, действующей против перемещения, развиваемого при помощи гидромотора, выбрана связка массовой нагрузки (элементарным блоком масса) и блоком сопротивления, подключенным между блоком, масса и блоком преобразования вращательного движения в поступательное.
На рис. 4 показана принципиальная схема собранной модели.
Моделирование процессов проводилось для двух случаев:
1 вариант - баровая цепь имеет типовую конструкцию, применяемую на серийных образцах машин ЩОМ-1200, ЩОМ-1400, РМ-2012.
2 вариант - баровая цепь имеет модернизированную конструкцию с роликами качения, установленными в подошву скребка баровой цепи [4].
4 - гидромотор; 5 - пневмогидроаккумулятор; 6 - предохранительный клапан;
7 - зубчатый редуктор; 8 - преобразователь вращательного движения в поступательное;
9 - сила сопротивления трения скольжения; 10 - эквивалентная масса;
11 - функциональный блок
Исследование показало, что при использовании модернизированного варианта имеет место снижение нагрузки, действующей на привод. При этом сохраняется реалистичность моделирования, так как масса, перемещаемая вырезающим устройством до и после модернизации, остается идентичной. Результаты, полученные при моделировании, представлены на рис. 5 и 6.
Mij
■Я
I
■ Т 1 I I I 1
Рис. 5. Изменение давления в напорной линии гидронасоса: 1 - до модернизации;
2 - после модернизации
-hwtw* С» off А »•» С ■ лд» [J* (?•"!
--■ tanim Shcfi pirfnppAl
Максимальная нагрузка в режиме близком к установившемуся (примерно через 5 секунд после пуска) составляет 21,5 МПа (215 бар). Для модернизированной конструкции баро-вой цепи нагрузка составляет 17 МПа. Таким образом снижение нагрузки составляет 21 %
Можно отметить, что в первоначальные доли секунды (около 1/20 с) рост давления как для модернизированного вырезающего устройств, так и не модернизированного совершенно идентичен, а первые различия начинаются на значении около 1/4 с, что соответствует началу движения рабочего органа.
Рис. 6. Изменение давления в напорной линии гидромотора: 1 - до модернизации;
2 - после модернизации
График для гидромотора как следует из рис. 6, имеет практически «зеркальный» характер. Характер затухания колебаний давления на гидромоторе также полностью соответствует аналогичному показателю на гидронасосе.
Программа SimulationX позволяет оценить кинематические параметры работы гидромотора и гидронасоса (частоту вращения валов) - см. рис. 7 и 8.
/ 1 \ / 1 2 А/ху
л ■ ■
Рис. 7. Изменение скорости вращения вала гидронасоса в период пуска: 1 - до модернизации; 2 - после модернизации
График позволяет наглядно оценить характер изменения колебаний частоты вращения валов во время рабочего процесса машины.
Рис. 8. Скорость вращения вала гидромотора: 1 - до модернизации; 2 - после модернизации
На графике скорости вращения валов гидронасоса, полученном методом 1-D моделирования гидропривода вырезающего устройства, можно заметить резкий скачок, как для скорости вала до модернизации, так и для скорости после в первые 20 мс, что обусловлено процессом запуска дизельного двигателя, в дальнейшем происходит процесс выравнивания скорости.
Список литературы
1. Путевые машины: учебник / М.В. Попович, В.М. Бугаенко, Б.Г. Волковойнов и др.; под общ. ред. М.В. Попович, В.М. Бугаенко. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. 820 с.
2. Дорогов В.К., Гаспаров М.С. Моделирование переходных процессов испытательного стенда в междисциплинарном программном комплексе SimulationX // Международный научный журнал «Инновационное развитие». 2018. № 3 (20). С. 17-20.
3. Ковальский В.Ф. Системный анализ и синтез статических и динамических параметров гидрообъемного привода скребковой цепи щебнеочистительных машин: дис. ... д-ра. техн. наук. М., 2005. 240 с.
4. Патент 178588 РФ. Вырезающее устройство щебнеочистительной машины / Н.Г. Гринчар, М.Ю. Чалова, Д.С. Федасов. Опубл. 11.04.2018. Бюл. № 11.
5. Ковальский В.Ф., Федасов Д.С., Чалова М.Ю. Модернизация скребково-цепного устройства щебнеочистительных машин // Мир транспорта. 2016. № 4. С. 70-77.
Гринчар Николай Григорьевич, д-р техн. наук, профессор, nggrin@yandex.ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ),
Федасов Дмитрий Сергеевич, главный инженер, fedasovds@gmail. com, Россия, Москва, Проектно-конструкторское бюро по инфраструктуре - филиал ОАО «РЖД»,
Чалова Маргарита Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, margarita_chalova@mail.ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ)
MODELING OF HYDRAULIC DRIVE OF WORKING BODIES OF CRUSHED STONE CLEANING
MACHINES
N.G. Grinchar, D.S. Fedasov, M.Yu. Chalova 431
The possibility of simulation computer simulation of the hydraulic drive of the drilling body of modern track gravel cleaning machines is considered. It is shown that the application of the Simulation program.allows the nature of the hydraulic drive operation at the start of the working process (cutting rubble from under the rail grating) with different initial characteristics of both the drive itself and the object of impact.
Key words: crushed stone cleaning machine, cutting device, volumetric hydraulic drive, pressure fluctuations.
Grinchar Nikolay Grigoryevich, doctor of technical sciences, docent, nggrin@yandex.ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT),
Fedasov Dmitry Sergeevich, Chief Engineer, fedasovds@gmail. com, Russia, Moscow, Infrastructure Design Bureau - branch of Russian Railways,
Chalova Margarita Yuryevna, candidate of technical sciences, docent, margari-ta_chalova@mail.ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT)
УДК 656.13
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-432-438
К ВОПРОСУ ОРГАНИЗАЦИИ ПАССАЖИРСКИХ ПЕРЕВОЗОК ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫМ ТРАНСПОРТОМ НА ТЕРРИТОРИЯХ ТУРИСТИЧЕСКИХ И КУЛЬТУРНО-
ОЗДОРОВИТЕЛЬНЫХ ЦЕНТРОВ
Э.А. Оганян
Работа посвящена вопросам организации пассажирских перевозок на экскурсионных микроавтобусах типа «shuttle bus» с электрическим приводом. Разработана методика организации перевозок пассажиров на территориях туристических и культурно оздоровительных центров. Приведены примеры использования предлагаемой методики для музея-усадьбы «Ясная поляна».
Ключевые слова: электромобиль, микроавтобус, пассажирские перевозки, методика, туристические и культурно-оздоровительные центры.
В настоящее время экологически чистый транспорт приобретает все большую популярность не только во всём мире, но и в России. Электромобили применяются как в повседневной жизни для поездок, так и в коммерческих целях. В тоже время на территориях туристических и культурно-оздоровительных центров рассматриваемый экологически чистый вид транспорта используется редко, что подтверждает актуальность данной тематики. При этом, несмотря на большое количество работ [1-3], связанных с организацией туристических перевозок, исследованиям в области пассажирских перевозок на микроавтобусах типа «shuttle bus» с электрическим приводом на территориях туристических и культурно-оздоровительных центров уделяется недостаточно внимания. В тоже время для рассматриваемых территорий низкий уровень шума и отсутствие выбросов вредных веществ в окружающую среду являются ключевыми преимуществами электромобилей по сравнению с традиционными автотранспортными средствами [4].
В данной работе разработана и апробирована расчетами (на примере музея-усадьбы «Ясная поляна») методика организации перевозок пассажиров экологически чистым электрическим транспортом на территориях туристических и культурно-оздоровительных центров.
Предлагаемая методика включает следующие основные этапы:
- рациональный выбор подвижного состава;
- разработка планировочных решений;
- проектирование плана перевозки пассажиров;
- реализация требований по обеспечению безопасности перевозок (требований водительскому составу, техническому состоянию ТС, электробезопасности и др.);
- анализ экономической эффективности предлагаемых решений.
