Определение оптимальных геометрических параметров ножа для накалывания шпал Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 674.048

И. К. Божелко, ассистент (БГТУ); А. П. Фридрих, канд. техн. наук, доцент (БГТУ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НОЖА ДЛЯ НАКАЛЫВАНИЯ ШПАЛ

Для осуществления глубокой пропитки шпал предлагается применять наколочный барабан, включающий диски на шлицевом валу с кольцами и наколочными ножами, стянутыми гайкой, шайбой и втулкой. Определены оптимальные геометрические параметры наколочных ножей, позволяющие вести накалывание шпал без поломок, вырывов и растрескивания древесины.

For realization of deep impregnation of cross ties it is offered incision a drum including disks on to the shaft with rings and incision by knifes, strapped by a nut, washer and cartridge. The optimum geometrical parameters incision of knifes allowing messages incision of cross ties without breakages and spoilage of wood are determined.

Введение. Для осуществления глубокой пропитки шпал предлагается применять наколочный барабан, включающий диски на шлицевом валу с кольцами и наколочными ножами, стянутыми гайкой, шайбой и втулкой (рис. 1).

Рис. 1. Наколочный барабан

Ножи являются рабочими элементами конструкции, подвергающимися затуплению и различным нагрузкам. Особо опасным является попадание их на сучки древесины.

Единого оптимального профиля наколочных ножей нет [1]. Существуют конструкции с хвостовым выступом либо на конус. Последние предпочтительнее, поскольку обеспечивают более надежное крепление ножа в барабане. Нако-лочный элемент должен обеспечивать качественное накалывание: без вырывов и растрескивания древесины. Данное условие достигается при толщине ножа до 3 мм [1]. Одновременным условием является достаточная прочность ножа, предотвращающая его поломку. Прочность на-колочного ножа во многом определяется его геометрическими параметрами.

Расчет геометрии наколочного ножа. Для расчета геометрии наколочного ножа была составлена расчетная схема взаимодействия наконечника с древесной породой, подлежащей пропитке (рис. 2).

Как показано на рис. 2, наколочный нож воспринимает следующие нагрузки:

- давление массива древесины на переднюю поверхность наколочного ножа Q;

- усилие вдавливания клина ^вд.

Рис. 2. Расчетная схема взаимодействия наконечника со шпалой

Для удобства расчетов давление массива д представим в виде действия ножа на древесину, т. е. обработанным по знаку сосредоточенной нагрузки ^см. Эту нагрузку можно выразить как составляющие горизонтальную и вертикальную

Рассматривался наколочный нож с толщиной I = 3 (рис. 3, а) в положении, наиболее неблагоприятном с точки зрения разрушения.

Точку приложения сосредоточенной силы ^см (точка А) расположим на некотором расстоянии к. Можно предположить, что к равно 0,5 глубины вдавливания. В этой точке на нож под углом а действует давление д массива древесины на переднюю поверхность клина на толщине Ь, которая дает равнодействующую ^см.

РСм = д -Ь. (1)

Определим напряжение в наиболее опасном сечении ВВ' т. е. на участке крепления ножа с диском. Рассмотрим напряжения, действующие на элемент ножа, выделенные радиальными и тангенциальными сечениями (рис. 3, б). Для удобства считаем, что эти напряжения положительные.

Функция напряжения для случая имеет следующий вид (2):

Ф = Л^тЭ + £Г9со80 + С9 + 0яп0. (2)

Напряжения через функцию (2) определяются следующим образом:

1 дф 1 д 2ф °Г =---+ "2--2-

r г дг г2 de2 ' 2

ce =

д 2ф дг2'

-_д_( 1 дф дг I г де

(3)

Подставив функцию (2) в систему (3), получим:

2 4 D

cr = - (A cos е- B sin е)- —-sin2e, г г

Се = 0,

1

тге = т(С + 2 D cos2e). г

(4)

Для определения постоянных используем

краевое условие т

= 0 и уравнение рав-

новесия I x = 0, Iy = 0, I m0 = 0.

Краевое условие дает т

= 0 дает:

С + 2D cos р = 0. (5)

Уравнения равновесия имеет следующий вид:

I x = - J+

в

гсг sin ed е -

+2

в } тгес 2

, в

bJ 2 rтrecosed е- F cos а = 0,

I у=bJ+

гс г cos edе-

-bJ в2 гT,,esinedе + Fsin а = 0,

I m0 = b J

r+2 2 = b \lг W

2

-Fh cos а = 0.

(6)

Из уравнений (4) и (5) получим F sin а

A = -B = -С = -D = -

b(P + sin P)'

F cos а b(P - sin P),

Fh cos а cos P b(P cos P- sin P^

Fh cos а 2b (P cos P- sin P)

(7)

O

R

У

I

б

в

Рис. 3. Расчетная схема взаимодействия наконечника со шпалой

Подставив постоянные (7) в систему (4), получим:

2F ( sin а cos е cos а sin е^

Ьг

P + sin P P-sin P

2Fh cos а

sin 2е

Ьг2

P cos P- sin P

Ce= 0,

Fh cos а cos2e- cos P

Ьг2

P cos P- sin P

Ce= 0.

(8)

В соответствии с ГОСТ 20022.3-75 глубина наколов должна быть не более 15 мм. Поэтому длина наконечника равна 15 мм. Отсюда г = 15 мм. Углы р и у взаимосвязаны (рис. 4).

а

q

b

2

2

2

СТг =

(

Рис. 4. Определение угла р При симметричном профиле клина имеем:

т = 90

а + у = 90;

а + 90 - — = 90, 2

откуда

ü = 90 - 90 + а = а; 2

аД

2

Таким образом, 2F

о„ = ■

( • Р д Р •

siseos Д cousin Д 2 , 2

3-15

Р + sin р р- sin р

15F cos в

sin Д

3 -152 Р cos р- sin р F - 7 - 5cosа cos2Д- cosР

< [о];

(9)

< [т]. (10)

3 -152 Р cos р- sin р Силу F можно определить из условия: F = к - [одр ] - A = 1,5 -107 - 45 -10-6 = 675 H,

где к - коэффициент запаса. Для расчетов принимается к = 1,5; [одр] - допустимое напряжение на сжатие.

[од,] = 10 МПа, А - площадь контакта, мм2.

А = bh = 3 ■ 15 = 45 мм2.

Сила вдавливания клина в массив незначительная, так как воспринимает силу отжима ножа. Поэтому ей можно пренебречь.

Учитывая, что наибольшие напряжения возникают в точках В и В', и приняв Д = р/2, получим:

2 - 675

45

- Р Р

sin—cos— 2 2

Р ^ р

cos—sin— 2 2

Л

p + sin р p-sin р

675cos в sin Р 2

(11) Р cos p-sin Р

Результаты расчетов представлены в таблице. Как видно из расчетов, с уменьшением угла заострения наколочного ножа напряжение в опасном сечении уменьшается. Это подтверждает общеизвестную закономерность, что с уменьшением угла клин более эффективно проникает в древесный массив. Таким образом, можно рекомендовать угол заострения, град: Р = 40-50.

Угол заострения ножа, град 30 40 50 60 70

Напряжение стг, в опасном сечении, кПа 784,4 784,6 791,2 818,6 905,5

При эксплуатации станка важно обеспечить устойчивость элементов, формирующих нако-лочную сеть на поверхности шпалы.

На боковые поверхности в вершине наколочного ножа действуют давления (дб) упругого восстановления древесины согласно рис. 5.

б

Рис. 5. Силы, действующие на боковые грани наколочного ножа: 1 - наколочный нож; 2 - древесина

=

а

Эти давления имеют перпендикулярное направление к поверхностям ножа и обеспечивают его устойчивость, так как действуют с двух сторон. Эпюра давления имеет треугольню форму с максимальным значением в вершине ножа.

Однако при эксплуатации оборудования возможны варианты, когда крайние ножи воспринимают упругие давления древесины только с одной стороны. В этом случае устойчивость ножа может нарушиться из-за недостаточной жесткости сечения. Поэтому возникает необходимость в определении жесткости системы.

Для удобства расчетов представим давление древесины на боковую поверхность ножа в виде сосредоточенной силы Яб, которую раскладываем на две составляющие Яб.г - горизонтальную и Яб.в - вертикальную силы.

Отклонение верщины ножа от нормального положения вызывает горизонтальная составляющая, которую можно определить из условия:

^б.г ■/= 0,2 ■

где /- коэффициент трения стали по древесине (/= 0,45); - касательная сила резания, Н; 0,2 - результаты исследований Ю. В. Ждановича в направлении расчленения касательной силы резания на составляющие по передней, задней и боковым поверхностям режущего элемента [3].

Таким образом,

Яб.г = 0,2 //= 0,2 ■ 635/0,45 = 282 Н.

Расчетная схема представлена на рис. 6.

Яб.г

I

I

Рис. 6. Расчетная схема наколочного ножа на устойчивость

Максимальный прогиб вершины, согласно расчетной схеме (рис. 6), определяется по формуле

Уа =

Я 13 3Е1

(12)

где Е - модуль продольной упругости, для стали Е = 2,16 ■ 105 МПа; I - момент инерции прямоугольного сечения относительно нейтральной оси, м4.

I =

Ък 12

(13)

где к - толщина наколочного ножа, м. Согласно конструкторской разработке, к = 0,003 м; Ъ - ширина основания наколочного ножа, м, Ъ = 0,015 м

Таким образом,

282• 0,0153 • 10-6 I =---— = 0,00013 м.

2,16• 105 • 33,75 •Ю-12

Как видим, при самом критическом положении ножа относительно кромки шпалы возможно отклонение вершины от нормального положения на 0,13 мм, что вполне допустимо.

Прочность опасного сечения определяется по формуле

< [а], (14)

с = -

Ж

где Мизг - изгибающий момент; Ж - момент сопротивления сечения, м3.

Ж =

Ък 12

(15)

Ж =

0,015 • 0,0032

= 22,5•Ю-9 м3.

4,23 -109

с = -

= 188 МПа <

22,5

< [с] = 216 - 314 МПа.

Выводы. В результате проведенных расчетов и анализа определены оптимальные геометрические параметры наколочных ножей, позволяющие вести накалывание шпал без их поломок, вырывов и растрескивания древесины. Толщина ножа - 3 мм; длина - 15 мм; угол заострения - 40-50 град.

Литература

1. Баракс, А. М. Глубокая пропитка древесины путем применения наколов / А. М. Баракс, Ю. Н Никифоров; под общ. ред. А. М. Баракс. -2-е изд. - М.: Лесная пром-сть, 1969. - 176 с.

2. Безуков, Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н. И. Безуков. -М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.

3. Жданович, Ю. В. Разработка режимов эксплуатации рамных пил повышенной стойкости для распиловки древесины: дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05 / Ю. В. Жданович. - Минск, 2004. - 152 л.

Поступила 01.04.2010