CC BY
78
УДК 658.382.3:629
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ БЕЗОПАСНОСТИ ГРУЗОВЫХ ПЛАТФОРМ АВТОСАМОСВАЛОВ И ПРИЦЕПОВ
Е.Н. ХРИСТОФОРОВ, Н Е. САКОВИЧ, А.А. КУЗНЕЦОВ ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»
Исследованы причины самопроизвольного опускания самосвальной платформ машин и прицепов, предложены технические решения решающие данную проблему.
Ключевые слова: безопасность, самосвальный прицеп, гидроцилиндр.
В сельскохозяйственном производстве находится в эксплуатации большое количество машин - самосвалов и прицепов с самосвальными платформами.
Ежегодно в результате технических неисправностей возникающих в системе подъема и опускания самосвальной платформы, получают травмы с летальным исходом более 20 операторов. Основными травматическими ситуациями, при эксплуатации самосвальной техники, стали: придавливание опускающимися платформами (50%); падение пассажира с платформ движущегося прицепа; наезд прицепом; ремонт колес прицепа; травмирование, перевозимым на самосвальной платформе грузом, опрокидывание.
Анализ материалов расследования причин несчастных случаев, позволил сделать вывод о том, что несчастные случаи происходили не только по вине обслуживающего персонала нарушающего требования безопасной эксплуатации самосвальных платформ, но также, из-за конструктивных недостатков узлов и механизмов гидропривода платформы
При эксплуатации прицепов 2 - ПТС - 4 предохранительные стойки платформы в результате пластической деформации, находясь под постоянным действием платформы в нерабочем положении, прогибаются. В результате чего значительно снижается сопротивление материала стойки изгибу, и повышается опасность самопроизвольного опускания платформы в случае ее деформации, при этом не обеспечивается фиксация предохранительной стойки в рабочем положении. При опускании платформы, ее кронштейн не всегда садится в скобу стойки, как это указано в руководстве по уходу и эксплуатации прицепов типа 2 - ПТС - 4. Осуществить фиксацию практически невозможно из-за осевого люфта стойки. Этот недостаток не позволяет произвести установку платформы на предохранительную стойку из кабины трактора без посторонней помощи. В полевых условиях это приводит к опасным ситуациям.
При установке платформы на предохранительную стойку и отсоединении гидросистемы, резко возрастает нагрузка на стойку, наблюдались случаи, когда упор стойки из-за некачественной сварки обрывался, стойка деформировалась и вырывалась из гнезда упора.
На прицепах всех марок используются гидроцилиндр одностороннего действия, обеспечивающие быстрый подъем рабочих платформ. Спускание платформ осуществляется под действием веса порожней платформы. В гидросистеме прицепа предусмотрен замедлительный клапан, призванный обеспечить замедленное опускание грузовых платформ, однако, он часто не выполняет своего назначения. Так, при случайном повреждении или разрыве шланга, время опускания, а точнее падения, платформы составляет всего от 1 до 2 секунд. За такой промежуток времени эксплуатирующий персонал физически не успевает покинуть опасную зону.
Исследование точностных и прочностных характеристик соединительного узла, при котором возникает аварийное - рассоединение головки гидроцилиндра с платформой прицепа (схема крепления гидроцилиндра к платформе представлена на рисунке 1) показало, что рассоединение узлов может произойти при нарушении точностных размеров. Проведем анализ полей допусков узлов на максимум и минимум, проставленных в рабочей документации.
1
А
Б
Рис. 1. Схема крепления гидроцилиндра к платформе или раме прицепа: А - положение центра кольца при Вгшш;
Б - положение центра кольца при Вгтах,: Условные обозначения: 1 - стакан, 2 - шаровая головка гидроцилиндра; 3 - стопорное кольцо.
Так, номинальная величина глубины канавки в стакане под кольцо, Вг составляет:
В1-В2 _ 54 - 50
В7 - —-- =-= 2 мм
2 2
Величина допуска размера BZ при расчете на max и min равна:
п
SBZ =ХД■ =0,18 + 0,2 = 0,38мм
z
1=1
Нижнее и верхнее отклонения находим по выражению:
в'; =
2
В'; = _ = -ОД9л^
х 2
Наибольшая и наименьшая величины
Вгтах = 2 + 0,19 = 2,19 мм, Ва™ = 2 - 0,19 = 1,81 мм.
Допуск на зазор при среднем коэффициенте рассеивания размеров, равном КСР = 1,5 составляет:
В2 = КСР = 1,5-\/о,22 + 0Д82 = 0,4мм
Вв7=^ = 0,2мм Вв7 = -— =-0,2мм 2 2
Согласно расчетам, глубина канавки может принимать размеры от Вгтах = 2,2 мм до Вгтш = 1,8 мм, диаметр проволоки пружинного стопорного кольца: ётах = 4,01 мм ётт = 3,99 мм.
Таким образом, в пределах допустимых полей допусков на практике имеют место соединения, в которых глубина канавки выполняется по нижнему полю допуска, а диаметр проволоки пружинного кольца по верхнему. При этом. центр кольца (рис. 1А) располагается вне канавки, что при действии на него динамических сил со стороны шаровой опоры должно приводить к возникновению составляющих сил, выталкивающих кольцо из канавки.
Рассмотрим силы, действующие на кольцо (рис. 2). Для определения реакции RА и ЯВ составим уравнение проекции сил на оси X и У из условия равновесия:
Для определения реакции RА и RВ составим уравнение проекции сил на оси X и У из условия равновесия:
о;
— Fj"H — РУ77Р cosa + RB cosa — Fbtp sin a + R4 cosa — Fatp sin y = O
2X=0;
F¡m - F^} + RB sin a + FBip eos a-R a sin y - Fatp eos y - Pmp sin a - 0
Рис. 2. Схема сил, действующих на стопорное кольцо при возникновении осевой
силы
Принимая во внимание, что:
F¿=RAtg<p-, tgcp = 0,15; /vi =0,15/^,; /# =0,15%.
Рупр = 6,7кГс; Рупр = 0,I7F% Решая систему уравнений, получим: Ra = 0,9397 F% , Rb = 0,0775 FV
Составим уравнение моментов сил относительно точки А, соответствующее равновесному положению кольца в канавке:
МА - -FfIH cosahx + Ffm sin а х 0,15//, + Ffm sin a x h2 + + 0,01 lFflH x2k- 0,0115 F¡¡H x 2¿ = 0
Силы, имеющие положительный знак, удерживают кольцо в канавке, отрицательные - выталкивают. Разделим все члены уравнения на FBhH и подставим значение плеч:
J\ -rK+rR cos у -rK( 1 + cos у) h2 = rKsmy
sin ax 0,15^(1 + cosy) + sinx rK sin y = cosr^l = cosy) + 0,0605rK
Разделим на rK и, учитывая, что у = 0 - а.заменим cosy на cos(0 - а), получим уравнение:
0Д5 sin а + 0,15 sin а х cos(© - а) + sin а х sin(0 - а) = = cos а + cos а х cos(0 - а) + 0,0605
Учитывая, что
S • Jrj2- s2 Яшо -S I-
cos© = — sin © =-. cosa =-—- sin a = VI - —2
„ ___ ». cos a
r ' r ' R + r '
'к 'к lvm.o. ^ 'к
Подставляем эти значения в уравнение. Решаем уравнение относительно 5. При расчетах примем допущение, что Rm0.. = 25 мм =const; rKmax = 2,005 мм; rKmin = 1,995 мм.
С помощью программы Eureka, The Solvez, Version 1.0., получаем:
5 = 1,9955924 мм; 0 = 3,0446830 рад; rK = 2,0050000 мм.
Как видно из расчетов, устойчивое положение кольца в канавке не зависит от величины FBhH и наблюдается только при условии его полного утопления в канавке, т.е. глубина канавки равна диаметру проволоки кольца. Однако, при этом, запирающие (удерживающие) свойства кольца сводятся к нулю. При значениях (5) .близких к (rK) , имеющих место в конструкции, хотя и происходит рост запирающих свойств кольца, однако, даже сколь угодно малые, величины инерционных сил пытаются вытолкнуть его из канавки.
Вместе с тем, согласно чертежам, величина (5) составляет 0,205 мм, и для того, чтобы произошло рассоединение шаровой головки гидроцилиндра и стакана, необходимо совершить работу либо по изменению геометрии кольца, либо деформированию заштрихованной области стакана (см. рис. 2) .
Кольцо должно подвергаться термической обработке, следовательно, можно предположить, что рассоединение может происходить из-за смятия заштрихованной области стакана, которая воспринимает динамические нагрузки со стороны более прочного кольца.
Энергия (А), необходимая для изменения формы (смятия) заштрихованной области, определяется по формуле:
А = Ауд V , Н
где АУд - энергия, необходимая для деформации единичного объема материала;
V - объем деформируемого материала, м .
, [о"
СЖ1ПР
Е [а-
СЖ1ПР тт
АУД=-2-=
где [оСЖ]ПР - предельное минимальное напряжение, при котором происходит пластическая деформация;
Е - модуль упругости.
Принимаем, что
Е = 22 х106 Н [ссж]пр = 15,5 х 104 Н, V= 0,28 см3, Ауд = 545,4 Н
Тогда, А = 54,54 х 0,28 = 152,7 Н.
При каждом возникновении инерционной силы, она совершает работу (А) в исследуемом узле, прямо пропорциональную величине этой силы (БВИН) и величине относительного перемещения элементов в узлах (Л^).
В нашем случае Лh равна высоте треугольника заштрихованной на рисунке 2 поверхности (Лh = 1,5 х 10- м).
Определим максимальную силур РБИН при которой произойдет смятие заштрихованной поверхности стакана и мгновенное аварийнее рассоединение узла:
^„= — = ^^1018,2 , Н ин ЛЛ 0,15
Отметим. что рассоединение узла может происходить (что вероятнее всего на практике и происходит) и при значительно меньших. но неоднократно повторяющихся, за время эксплуатации величинах осевых нагрузок, т.е.
А
Рв =■
гин п
ЕаЛ,
1=1
где ЛИ; - величина '4 - го" перемещения сопрягаемых элементов м;
п - число перемещений, шт.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что: крепежные элементы силового узла, выполненные в виде пружинного кольца круглого сечения и канавки, не способны выполнять запирающих функций при условии воздействия на них осевых нагрузок, кольцо под воздействием осевых нагрузок гидроцилиндра в процессе
эксплуатации постепенно разрушает (сминает) нижнюю кромку кольцевой канавки стакана, что и является причиной аварийного рассоединения узла.
Авторы видят решение проблемы в следующем. Предлагаем использовать на грузовых самосвальных платформах конструкцию цилиндра двустороннего действия с механическим шариковым замком (рис. 3).
Силовой гидроцилиндр состоит из корпуса 1, штока 12 выполненного из телескопических секций, на одном из концов секции крепится поршень 2. По окружности поршня с двух сторон выполнены сквозные отверстия, образующие сепараторы с гнездами для шариков 11, 13, от выпадения из гнезд внутрь полости поршня шарики удерживаются внешней поверхностью секции штока, от выпадения наружу из поршня шарики удерживаются внутренней поверхностью цилиндрического корпуса или внутренней поверхностью секции штока (для шариков последующих секций). Шарики 11, 13 имеют некоторую степень свободы для перемещения в гнездах. В конструкции гидроцилиндра также имеются запорные цилиндры 3, кольца замка 4, пружины 5, 15, соединительные гайки 6, распорные цилиндры 7, 14, резьбовая гайка 8, направляющие секции штока цилиндров 9, ухо 10, Для герметичности соединений используются уплотнительные резиновые.
А
Б
В
Рис. 3. Силовой гидроцилиндр двустороннего действия
Условные обозначения: 1 - корпус; 2 - поршень; 3 - запорный цилиндр; 4, 16 - кольцо замка; 5, 15 - пружины; 6 - соединительная гайка; 7,14 - распорный цилиндр; 8 - гайка; 9 -направляющие секций штока цилиндров, 10 - ухо.; 11,13 - шарики.
Гидравлический цилиндр работает следующим образом. Исходное положение -шариковый замок убранного положения цилиндра закрыт, шарики 13 находятся в кольцевой выточке кольца замка 16. Для выдвижения штока рабочее тело через штуцер А подается в полость под распорным цилиндром 14, под которым начинает возрастать давление, при этом распорный цилиндр, сжимая пружину 15, начинает с двигаться влево, шарики 13 опускаются вниз, замок открывается. Давление также них начинает возрастать под поршневыми полостями. выдвигая секции штока поршня. При выдвижении поршня шарики 11 подходят и упираются в круговой конусный уступ торца распорного цилиндра 7. Возникает горизонтальная составляющая от силы прижатия шариков к конусной части распорного цилиндра, под воздействием которой распорный цилиндр, сжимая пружину 5, сдвигается в сторону полости цилиндра, соединенной со сливом, при этом шарики установятся напротив сферической выточки кольца замка 4 и под действием вертикальной составляющей усилия прижатия их к конусной части распорного цилиндра, они будут выдвинуты из гнезд сепаратора в кольцевую выточку замка 4, а распорный цилиндр 7 под действием усилия пружины 5 проскользнет под шариками, механический шариковый замок закроется.
Для открытия замка жидкость поступает в полость (стороны штока) через штуцеры Б и В. В изолированной камере между поршнем и распорным кольцом возникает нарастающее давление, которое не может сдвинуть поршень, закрытый на шариковый замок, а, сжимая пружину, сдвигает распорный цилиндр 7. Как только шарики замка не будут удерживаться в сферической выточке кольца замка распорным цилиндром, шарики сдвигаются внутрь сепаратора и откроют шариковый замок, после чего поршень начнет убираться в корпус цилиндра.
При уборке, поршень упирается в распорный цилиндр 14 сдвигает его влево, как только шарики 13 окажутся напротив сферической выточки кольца замка то действием усилия пружины 15 распорный цилиндр проскользнет под шариками, механический шариковый замок убранного положения закроется.
ЛИТЕРАТУРА
1. Олянич, Ю.Д. Исследование причин аварийного опускания платформ тракторных прицепов / Ю.Д. Олянич, А.И. Пантюхин, Н.А. Меркалов // Охрана здоровья работников агропромышленного производства - Орел: Изд. ВНИИОТ МСХ РФ, 1993 - С 27 - 33.
2. Патент на изобретение №2278304. Силовой гидроцилиндр двустороннего действия / Е.Н. Христофоров, Е.Г. Лумисте и др. - Опубл. БИ №17, 2006.
DEALING WITN ISSUES OF ENSURING DRIVERS SAFETY
E.N. KHRISTOFOROV, N.E. SAKOVICH, A.A. KUZNETSOV
The Bryansk State Agricultural Academy
The causes of involuntary lowering of dumper of dump trucks and trailers were dealt with. Some engineering solutions eliminating the above malfunction were submitted. Key words: safety, dump trailer, hydrocylinder
