CC BY
25
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 656.223
РАЗРАБОТКА РЕЗЕРВНОГО ПРИВОДА В КОНСТРУКЦИИ
ЛОКОМОБИЛЯ
А. А. Шубин, М.В. Потапов
Рассмотрен вопрос доставки ремонтных бригад к месту проведения работ на железнодорожном пути. Представлена конструкция резервного привода локомобиля, описан принцип его работы. Даны зависимости для расчета предельного времени работы привода и пройденного локомобилем расстояния в зависимости от скорости его движения и емкости аккумулятора. Получены графики для определения оптимальной скорости локомобиля.
Ключевые слова: комбинированный ход, локомобиль, резервный привод, электромагнитная муфта, гидромотор.
Текущее содержание и ремонт пути являются обязательным условием эффективной работы железнодорожного транспорта. Главная задача текущего содержания пути - создание условий для обеспечения бесперебойного движения поездов с установленными скоростями и длительных сроков службы всех элементов пути. Работы по содержанию и ремонту пути осуществляются круглогодично и на всей сети железных дорог [1].
Все работы, подразделяемые на планово-предупредительные и неотложные [2, 3], выполняют бригады рабочих по календарным графикам, которые составляют по данным тщательных проверок технического состояния пути и сооружений, учитывая местные условия и сезонные особенности. Устранять неисправности следует своевременно, пока они еще не представляют угрозы для безопасного движения поездов и не требуют слишком больших усилий для ликвидации [4 - 6].
На время выполнения работ, включающих в себя и доставку бригад, выделяется «окно» в графике движения поездов. В случаях значительных расстояний между станциями, что характерно для регионов Сибири и Дальнего Востока, значительная часть времени, выделяемого для ремонтных работ, приходится на перевозку бригад.
419
Для доставки бригад и оборудования к месту ремонта используют автомотрисы, которые представляют из себя моторные самоходные железнодорожные вагоны [7].
С недавних пор, помимо автомотрис, стали использовать локомобили - автомобили на комбинированном ходу, способные передвигаться как по железнодорожному пути, так и по автомобильным дорогам. Их главным преимуществом перед автомотрисами является возможность отправки бригады не только с железнодорожной станции, но и с любого железнодорожного переезда, что позволяет существенно сократить время на транспортировку бригад. Локомобили изготавливают на базе автомобилей, посредством установки на раме автомобиля механизмов выдвижения железнодорожного шасси.
Принцип постановки локомобиля на железнодорожное шасси следующий (рис. 1): при передвижении на автомобильном ходу локомобиль 1 подъезжает к рельсовому пути и, например, на переезде, становится непосредственно на головки рельсов. Далее железнодорожные шасси 2 и 3 начинают опускаться и опираться на поверхность катания рельсов. При достижении нижней точки выхода подвески привод выдвижения шасси отключается и локомобиль может передвигаться на автомобильном ходу по рельсам.
Поверхность катания рельса 2
Рис. 1. Локомобиль: 1 - автомобиль; 2, 3 -заднее и переднее железнодорожное шасси
Привод выдвижения железнодорожного шасси может быть различный, но набольшее распространение получил гидравлический, так как при всех равных условиях он дешевле, чем электропривод и способен развивать большие усилия при относительно небольших размерах, хотя и не лишен некоторых недостатков: требует дооснащения локомобиля гидростанцией и сопутствующим оборудованием, а также дополнительного обслуживания при эксплуатации.
Гидравлический привод механизма выдвижения шасси имеют все локомобили, выпускаемые отечественной фирмой «Твема» [8].
420
По железнодорожным путям постоянно осуществляется передвижение составов, поэтому работы по ремонту и обслуживанию пути по возможности не должны нарушать их график движения. В случае возникновения неработоспособного состояния локомобиля, находящегося на железнодорожном пути, произойдет чрезвычайная ситуация, для решения которой необходим буксирующий транспорт и соответственно временные затраты, что сопутствует большим экономическим потерям. Помимо прочего локомобиль имеет специфическую конструкцию по отношению к железнодорожному транспорту, поэтому конструкция буксирующего транспорта должна предусматривать специальную сцепку для локомобиля.
В связи с вышесказанным актуальной является задача по созданию резервного привода в локомобиле. Реализация данной задачи возможно благодаря конструктивным особенностям локомобиля, а именно наличию железнодорожного шасси, в котором можно разместить двигательные механизмы. В качестве двигательного механизма наиболее целесообразно использовать гидромоторы, так как в локомобиле размещена гидростанция, способная работать от источника постоянного тока - аккумулятора автомобиля.
При разработке резервного привода необходимо учесть следующее: резервный привод не должен препятствовать работе основного привода локомобиля и не должен иметь постоянную жесткую кинематическую связь с железнодорожным колесом, так как это приведет к возникновению сопротивления вращению колеса, вследствие чего колесо может скользить по поверхности катания рельсов и быстро изнашиваться.
Исходя из особенностей конструкции железнодорожной части локомобиля, гидромоторы целесообразно разместить в заднем подвесе. На рис. 2 приведена конструкция заднего подвеса с резервным приводом, который состоит из: гидромотора 1, приводного вала 2, электромагнитной муфты (ЭМ), приводного колеса 10, металлоконструкции заднего подвеса 14. Использование ЭМ обусловлено простотой и быстротой включения, а также незначительным расходом электроэнергии.
Принцип его работы следующий: в штатном режиме, при движении локомобиля от автомобильного привода, приводной вал 2 работает как ось. На катушку ЭМ 5 не подается напряжение, поэтому якорь 7 не притягивается к ротору 6. Между ними образуется магнитный зазор 8. Кинематической связи между приводным колесом 10 и гидромотором 1 нет, поэтому оно свободно вращается в подшипниках 11.
В случае отказа основного привода локомобиля включается резервный привод. Подается напряжение на катушку ЭМ 5. Якорь 7 притягивается к ротору 6, при этом появляется кинематическая связь между гидромотором 1 и приводным колесом 7. Далее включается гидромотор 1, с которого идет передача крутящего момента на вал 2, установленного в подшипниках 3, которые, в свою очередь, установлены в металлоконструкции
железнодорожного шасси 14. С вала 2 крутящий момент передается на ротор 6, посредством шпоночного соединения 12. Ротор 6 и якорь 7 имеют фрикционную связь благодаря электромагнитной силе, поэтому крутящий момент передается на якорь. Якорь жестко связан с приводным колесом посредством болтов 9, поэтому с него осуществляется передача крутящего момента на ходовое колесо. В ЭМ зазор S обеспечивается за счет плоской пружины 8. Катушка 5 ЭМ установлена на подшипнике 4, и соединена с корпусом металлоконструкции 9 посредством болтового соединения 13.
В описанной выше конструкции используется ЭМ FMM 150 [9] с рабочим напряжением 24В. Так как напряжение бортовой сети большинства отечественных автомобилей 12В, необходимо использовать устройство для согласования напряжений, в качестве которого предлагается использовать импульсный преобразователь напряжения НПП Орион ПН-40.
А
Рис. 2. Резервный привод локомобиля: 1 - гидромотор; 2 - приводной вал; 3, 4,11 - подшипники; 5 - катушка ЭМ; 6 - ротор; 7 -якорь; 8 - плоская пружина; 9,13 - болты; 10 - приводное колесо;
12 - шпонка; 14 - шасси
Как отмечалось выше, гидромотор резервного привода работает от резервной гидростанции, размещенной в корпусе локомобиля. Источником энергии гидростанции является аккумулятор автомобиля. Аккумулятор не рассчитан на такие нагрузки, поэтому время использования резервного привода будет ограниченным. Скорость разряда аккумулятора, прямо пропорциональна скорости локомобиля, поэтому необходимо выбрать такую скорость локомобиля, при которой он за кратчайшее время сможет доехать до переезда или станции и при этом не должна произойти полная разрядка аккумулятора.
Для определения оптимальной скорости локомобиля в зависимости от разряда аккумулятора была разработана программа в среде ЬаЬУ1е^^ блок-диаграмма которой представлена на рис. 3.
Рис. 3. Блок-диаграмма: 1-9 - исполнительные модули (подробнее о каждом из модулей см. тексте)
В основу блок-диаграммы были заложены формулы ручного расчета мощности гидростанции и времени работы аккумулятора. Условно блок-диаграмма состоит из десяти модулей.
В модуле 1 задается диапазон скоростей локомобиля и рассчитывается шаг построения графика.
В модуле 2 осуществляется расчет силы сопротивления движению
[10]:
я = 2т+№ Р к
ГС ^ хк Лр
(1)
где / = 0,011...0,015— коэффициент трения скольжения для роликовых и шариковых подшипников; кр = 2...2,2 - коэффициент сопротивления реборды; й = 50 мм - диаметр цапфы подшипника; В = 250 мм - диаметр хо-
дового колеса; Кхк = 8150 Н - нагрузка на ходовое колесо; т = 1,6 мм - коэффициент трения качения стального колеса по стали (плечо силы трения).
При использовании резервного привода необходимо производить полный подъем локомобиля, чтобы исключить составляющую силы сопротивления движению, вызываемую пневматическими колесами. Это позволит уменьшить скорость разряда аккумулятора.
В модуле 3 осуществляется расчет угловой скорости:
2v
ю = — , (2)
В
где V - текущее значение скорости, м/с.
В модуле 4 выполняется расчет необходимой мощности, с учетом определенной в модуле 2 силы сопротивления движению ходового колеса:
К ■ V
Р = к3 , (3)
Л
где Л = 0,9 - КПД механизма передвижения; кз = 1,1 ...1,2 - коэффициент
запаса мощности.
В модуле 5 осуществляется расчет крутящего момента на валу гидромотора и числа оборотов вала гидромотора:
9 549Р
Т = 9549Р; (4)
п
30ю
п =-. (5)
р
В модуле 6 по значению крутящего момента (4) производится расчет минимально необходимого объема гидромотора [11]:
2рТ
Ч =-, (6)
РЛмех
где р »14 МПа - перепад давлений на гидромоторе (выбран ориентировочно); Лмех = 0,95...0,96 - механический КПД гидромотора.
В модуле 7 по значениям объема гидромотора и числа оборотов вала гидромотра, определяется расчет потребного расхода гидромотора [12]:
О = (7)
60 106 Лоб
где Лоб = 0,95...0,97 - объемный КПД гидромотора.
В модуле 8 выполняется расчет минимально необходимой потребной мощности гидростанции:
Рг = РО . (8)
В модуле 9 выполняются расчеты силы тока якоря гидростанции, времени работы аккумулятора и пройденного за это время пути соответственно:
/=^,
и
где и = 12 В - напряжение бортовой сети.
С
4- _ ак
I
к
(9)
(10)
где Сак - емкость аккумулятора, Ач; к = 1,1...1,3 - постоянная Пейкерта для свинцово-кислотных аккумуляторов [12].
I = М . (11)
В модуле 10 по результатам расчетов осуществляется построение графиков, которые представлены на рис. 4.
5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Скорость автомобиля, км/ч
Рис. 4. Графики зависимости времени работы аккумулятора и пройденного расстояния от скорости локомобиля для различных емкостей аккумулятора: 1 - 77 Ач; 2 - 90 Ач; 3 -110 Ач
425
Используя полученные зависимости, можно выбрать необходимую скорость локомобиля, соответствующую определенной емкости аккумулятора.
Программа, разработанная на основе блок-диаграммы (см. рис. 3), может быть установлена на мобильном устройстве, что позволит по значению состояния аккумуляторной батареи и необходимого расстояния выдавать управляющий сигнал на регулирование скорости движения, тем самым обеспечивая автоматизацию управления резервным приводом.
Список литературы
1. Путевые механизмы и инструменты / Р.Д. Сухих [и др.]; под общ.ред. Р.Д. Сухих. М.: УМК МПС, 2002. 428 с.
2. Анцев В.Ю., Ковалева А.Е. Структурно-функциональная модель процесса технического обслуживания и ремонта грузоподъемного оборудования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 7. Ч. 2. С. 72-78.
3. Анцев В.Ю., Федоров А.В., Долгов В.В. Управление процессом технического обслуживания и ремонта металлообрабатывающего оборудования // Справочник. Инженерный журнал. № 8. 2004. С. 55-58.
4. Егоров А.С. Механизация путевых работ: учебное иллюстрированное пособие. М.: Маршрут, 2006. 90 с.
5. Соломонов С.А., Попович М.В., Бугаенко В.М. Путевые машины. [Электронный ресурс]. М.: УМЦ ЖДТ, 2000. 756 с. Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/59212 (дата обращения: 29.05.2017).
6. Шубин А.А., Витчук П.В., Смоловик А.Е. Варианты модернизации шпалоподбойки // Мир транспорта. 2015. Т.13. № 6 (61). С. 78-87.
7. Попович М.В., Бугаенко В.М. Путевые машины. Полный курс. [Электронный ресурс]. М.: УМЦ ЖДТ, 2009. 820 с. Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/4185 (дата обращения: 29.05.2017).
8. Официальный сайт компании «Твема». Режим доступа: https://tvema.ru/ (дата обращения: 17.09.17).
9. Электромагнитные и пневматические муфты и тормоза Telcomec. Каталог [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.servomh.ru/images /katalogi/electromagnitnie-mufti.pdf (дата обращения: 19.10.2017).
10. Александров М.П., Ивашков И.И., Казак С. А. Расчёты крановых механизмов и их деталей / под ред. Р. А. Лалаянца. М.: ВНИИПТМаш, 1993. Т.1. 187 с.
11. Гойдо М.Е. Проектирование объемных гидроприводов [Электронный ресурс]. М.: Машиностроение, 2009. 304 с. Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/729 (дата обращения: 20.10.2017).
426
12. Информационный сайт об аккумуляторах AkbInfo.ru [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //akbinfo .ru/ustroj stvo/j omko st-avtomobilnogo-akkumuljatora.html (дата обращения: 24.10.17).
Шубин Александр Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой, shuhiri55 a mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Потапов Михаил Витальевич, студент, michail.potapov109@vardex.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальныйи следовательский университет)
DEVELOPMENT RESERVE DRIVE IN THE CONSTRUCTION OF A LOCOMOBILE
A. A. Shuhir, M. V. Potapov
The issue of delivery of repair crews to the place of work or the railway track is considered. The design of the reserve drive of the locomobile is presented, the principle of its operation is described. Dependences are given for calculating the limiting operating time of the drive and the distance traveled hy the vehicle, depending on the speed of its movement and the capacity of the battery. The graphs for determining the optimal speed of the locomobile are ohtained.
Key words: combined course, locomobile, reserve drive, electromagnetic coupling, hydraulic motor.
Shubin Alexandr Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, shuhir55amail.ru, Russia, Kaluga, Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, Kaluga Branch,
Potapov Mikhail Vitalievich, student, michciil.potcipovH^aiyandex.ru, Russia, Kaluga, Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, Kaluga Branch
