Машина для уплотнения балласта железнодорожного пути

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Белорусский государственный университет транспорта Кафедра: Детали машин и подъёмно-транспортные механизмы ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине

«Путевые машины и механизмы»

на тему Машина для уплотнения балласта железнодорожного пути Выполнил: студент группы МС-51

Шауро И. В Проверил: старший преподаватель Моисеенко В.Л.

Введение

В процессе эксплуатации на путевую решетку воздействуют поездные нагрузки, которые передаются на балластный слой и вызывают его обратимые (упругие) и необратимые (остаточные) деформации. С течением времени деформации накапливаются, как правило, неравномерно по протяжению пути (рисунок1). Положение рельсошпальной решетки (РШР) изменяется сначала в пределах допусков, а затем и за пределами допусков (натурное положение), т. е. наблюдаются расстройства пути, вызывающие эксплуатационные ограничения (скорости движения поездов и др.). Для обеспечения плавного и безопасного движения поездов периодически требуется устанавливать путевую решетку в проектное положение (производить выправку) и одновременно её фиксировать за счет уплотнения балластного слоя (производить подбивку). В путевом хозяйстве эти технологические операции выполняются машинами и механизмами для уплотнения балластной призмы, выправки и отделки пути.

Рисунок 1 — Положение рельсошпальной решётки в прямоугольной системе координат ОХYZ

Балластоуплотнительные машины производят уплотнение объемов балластной призмы в шпальных ящиках и зонах под ними, а также по откосах и междупутье. Используются, в основном, в комплексах путевых машин совместно с выправочно-подбивочными машинами цикличного действия при текущем содержании пути.

Необходимость использования машины БУМ обусловлена тем, что подбивочные блоки выправочно-подбивочных машин цикличного действия производят лишь локальное уплотнение балласта под шпалами в подрельсовых зонах (рисунок 2, б), создавая локальные зоны уплотнения (ядро уплотнения). В зонах, расположенных под шпальными ящиками текстура (взаимное объемное построение частиц) балласта нарушена вынимаемыми из призмы и раскрываемыми при этом лопатками подбоек. Здесь локализуются зоны разуплотненного балласта, на поверхности призмы в шпальных ящиках остаются углубления. Если сразу после работы выправочно-подбивочиой машины пропускать поезда, то вертикальное давление на шпалы приводит к появлению распорных боковых давлений, балласт постепенно смещается в зоны под шпальными ящиками, происходит разрушение ядра уплотнения. Применение рабочих органов, производящих вертикальное виброобжатие балласта в шпальных ящиках, позволяет образовать ядра уплотнения в зонах под ними (рисунок 2, в). В результате создается боковой подпор, препятствующий движению частиц из ядра уплотнения под шпалой.

Рисунок 2 — Уплотнитель балласта в шпальных ящиках: а — общий вид; б — схема работы балласта под шпалой без применения машины БУМ; в — тоже, после уплотнения машиной; 1 — рама машины; 2, 4 — приводной пневмоцилиндр и крюк транспортного запора; 3 — гидроцилиндр подъема блока; 5 — конечный выключатель; 6 — кронштейн блока; 7, 14 — гидромотор привода вибраций с зубчато-ременной передачей; 8, 9- эксцентриковый вал с маховиками; 10 — пружины; 11 — рычаги; 12, 13 — основная и реактивная направляющие; 15 — стяжки; 16 — башмаки

1. Назначение, краткое описание устройства и работы машины, описание управления и безопасности Элементы верхнего строения железнодорожного пути (рельсы, рельсовые скрепления, шпалы и балластный слой), имеют назначение упруго воспринимать и перераспределять на основную площадку земляного полотна статические и динамические нагрузки от подвижного состава. При действии нагрузки от колесной пары Ркп = 100−250 кН напряжение на основной площадке земляного полотна, передаваемое через балластный слой, не должно превышать всего? сл = 0,05−0,08 МПа (рисунок 3).

Рисунок 3 — Распределение давления от колеса на балластный слой В результате такого силового воздействия в балластном слое происходят износ, разрушение и изменения взаимных положений слагающих его частиц, реализуются его упругие и остаточные деформации и, как следствие, изменяется положение рельсов (рисунок 1) в продольном профиле (просадки), плане (сдвижки) и по уровню (перекосы). Упругие деформации проявляют себя только под нагрузкой.

Остаточные деформации в период эксплуатации накапливаются неравномерно по длине пути, поэтому периодически требуется исправлять его положение, выполняя работы по выправке пути в продольном профиле, в плане и по уровню (рисунок 4) с одновременным уплотнением балласта в подшпальной зоне, откосно-плечевых зонах и в шпальных ящиках.

Рисунок 4 — Рабочие органы для выправки рельсошпальной решётки Характер накопления вертикальных остаточных деформаций h в функции пропущенной по участку общей массы поездов Т (тоннажа брутто) (рисунок 5, а) позволяет выделить четыре периода — Т1-Т4 в его работе. Каждый период отражает физические процессы, происходящие в слое балласта, и характеризуется скоростью (интенсивностью) Vh = dh/dT (рисунок5, б) и ускорением (неравномерностью) Wh = d2h/dT2 (рисунок 5, в) накопления остаточных деформаций. После предварительной осадки уплотнения и стабилизации h0 наступает период T1 — стабилизации, в течение которого осадки имеют затухающий характер к его окончанию (Vh > 0; Wh > 0). Период Т2 соответствует нормальной эксплуатации Т|, Т||, Т||| и Т|V — периоды работы балласта; t — периоды между исправлениями пути по уровню; ?hзап — запас на осадку пути, осадки накапливаются медленно и равномерно. Его удлинение достигается качественным уплотнением балласта и стабилизацией пути. В результате засорения и износа балластного слоя наступает период Т3 — критической эксплуатации, к концу которого балластная призма начинает интенсивно разрушаться и требует ремонта. Т4 — период просроченного ремонта (аварийный) с потерей работоспособности пути и при эксплуатации не допускается.

Рисунок 5 — Зависимость накопления остаточной деформации в балласте (а), её интенсивности (б), неравномерности (в) от прошедшего тоннажа Стабилизация — приведение балластного слоя в постоянное устойчивое к статическому и динамическому силовому воздействию состояние. Наиболее распространенный способ стабилизации — уплотнение (рисунок 6).

Рисунок 6- Способы уплотнения и стабилизации балластной призмы Уплотнение — процесс повышения плотности балластного материала (щебень, гравий, песок) за счет увеличения концентрации частиц в единице объема, соответствующей более упорядоченному по расположению и форме их пространственному построению (текстуре) при силовом воздействии. В стабилизированном состоянии Vh = const, Wh = 0 (Рисунок 5). Практически, под поездами наблюдаются только упругие деформации балластного слоя.

Машина для уплотнения балласта железнодорожного пути относится к устройствам для уплотнения балласта железнодорожного пути. Цель изобретения — повышение эффективности машины путем повышения равномерности и степени уплотнения балласта. Машина (рисунок 7) содержит экипажную часть с рамой 1, на которой последовательно смонтированы вибрационные тележки 2 -4, соединенные с ней через устройство 5 статического пригруза, образованное гидроцилиндрами 6. На тележках 2−4 установлены вибраторы возбуждения горизонтальных колебаний с дебалансами и вибраторы возбуждения вертикальных колебаний с дебалансами Указанные вибраторы синхронизированы между собой, а дебалансы вибраторов, установленные на одной тележке, повернуты относительно дебалансов следующей тележки последовательно вдоль машины.

Машина для уплотнения балласта железнодорожного пути, содержащая экипажную часть, на раме которой смонтированы вибрационные тележки, последовательно расположенные вдоль машины и несущие вибраторы возбуждения горизонтальных колебаний, включающие в себя дебалансы, и устройства статического пригруза, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности путем повышения равномерности и степени уплотнения балласта, она снабжена вибраторами возбуждения вертикальных колебаний, включающими в себя дебалансы, установленные на указанных тележках и синхронизированные с вибраторами горизонтальных колебаний и между собой, причем дебалансы вибраторов, установленные на одной тележке, повернуты относительно дебалансов следующей тележки последовательно вдоль машины.

Дебалансы вибраторов возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний синхронизированы между собой посредством зубчатых колес с передаточным отношением 2:1., а в начальном положении дебалансы вибраторов возбуждения горизонтальных колебаний повернуты относительно дебалансов вибраторов возбуждения вертикальных колебаний на 90°.

Рисунок 7 — Общий вид машины для уплотнения балласта железнодорожного пути

2. Анализ основных направлений совершенствования конструкции машин данного типа. Исследовательская часть проекта (в соответствии с заданием) При создании балластоуплотнительных машин особое внимание уделяют следующим основным положениям: повышению скоростей и усилий на рабочих органах, созданию машин непрерывного действия, обеспечивающих повышение производительности и снижение стоимости работ; широкому внедрению гидропривода, позволяющего упростить кинематику, плавно регулировать скорости движения, снижать массу и металлоёмкость машин, защитить приводы от перегрузок. Важное значение имеют автоматизация работы машин; применение ЭВМ, обеспечивающих оптимальные режимы работы, загрузку двигателя, контроль качества выполнения работ; разработка рабочих органов при оптимизации их параметров и режимов работы; создание машин с широким набором оборудования для выполнения различных операций технологического цикла с целью более эффективного использования машины по времени и сокращения числа машин; увеличение надёжности и долговечности машин путём применения более прочных и износостойких материалов, правильного выбора параметров и режимов работы; унификация узлов, агрегатов и деталей.

Большое внимание уделяется также таким мерам, как совершенствование машин с точки зрения ремонтопригодности, монтажа из легкосменяемых узлов и агрегатов, а также облегчения технического обслуживания (удобное размещение систем смазки, регулировки, мест крепления); создание машин для работы в условиях холодного климата; улучшения условий работы обслуживающего персонала — снижение вибрации и шума, создание более комфортабельных кабин и пультов управления, обеспечение безопасности работ. Для текущего содержания путей важнейшей задачей является машинизация работ — выполнение ремонтов тяжёлыми машинами в «окно».

В качестве исследовательской части привожу несколько описаний изобретений к авторским свидетельствам.

3. Описание принципиальной кинематической схемы машины На рисунке 7 изображена машина для уплотнения балласта железнодорожного пути, общий вид; на рисунке 8 — кинематическая схема вибрационных тележек; на рисунке 9 -положение дебалансов вибраторов возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний в положении, принятом условно за начальное: на рисунке 10 — схема образования и распространения «бегущей волны» вдоль рельсошпальной решетки; на рисунке 11 — траектория вибросмещений рельсошпальной решетки в перпендикулярной оси пути плоскости.

Машина для уплотнения балласта железнодорожного пути содержит экипажную часть с рамой 1 (рисунок 7). На раме 1 последовательно смонтированы вибрационные тележки 2−4, соединенные с ней через устройство 5 статического пригруза. Последнее содержит гидроцилиндры 6, соединенные шарнирно в верхней части с рамой 1 машины, а в нижней — с промежуточной рамой 7. Через амортизаторы 8 рама 7 соединена с вибрационными тележками 2−4, Дополнительно промежуточная рама 7 соединена с рамой 1 машины тягой 9.

Каждая вибрационная тележка, например 2, содержит корпус 10 (рисунок 8), опирающийся катками 11с горизонтальными осями вращения 12. Вибрационная тележка также имеет роликовые захваты на каждую головку рельса рельсошпальной решетки, включающие в себя ролик 13 с вертикальной осью и шарнирно-рычажную систему 14 с гидроцилиндром 15 прижатия.

В корпусе 10 размещены вибраторы возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний. Вибратор возбуждения горизонтальных колебаний содержит валы 16 и 17, на которых размещены спаренные дебалансы 18 и 19. синхронизирующие зубчатые колеса 20 и 21. Вибратор возбуждения вертикальных колебаний содержит валы 22 — 25, на которых установлены спаренные дебалансы 26 — 29 и зубчатые колеса 30 — 33.

Вибраторы возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний синхронизированы между собой зубчатыми зацеплениями колес 20 и 30, 20 и 32 с передаточными отношениями 2:1 В условно принятом за начальное положении дебалансов указанных вибраторов (рисунок 9) дебалансы 18 и 19 вибратора возбуждения горизонтальных колебаний повернуты на угол 90° относительно дебалансов 26 — 29, занимающих нижнее положение.

Вибраторы тележек соединены последовательно вдоль рамы машины механическими синхронизаторами, например, карданными валами 34 (рисунок 8), соединяющими валы 16. Соответственные дебалансы 18 и 19 вибрационных тележек, расположенных одна за другой вдоль машины, последовательно повернуты в одну сторону относительно дебалансов последующей тележки.

Рисунок 8- Кинематическая схема вибрационных тележек Вследствие того, что дебалансы вибраторов возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний у каждой тележки повернуты в условно принятые за начальные положения относительно друг друга на один и тот же угол 90° и соединены синхронизирующими зубчатыми колесами (рисунок 9), соответственные дебалансы вибраторов возбуждения вертикальных колебаний последовательно расположены друг за другом вдоль машины тележек, также повернуты в одну сторону относительно дебалансов последующей тележки. Например, повернуты соответственные дебалансы 29, 35 и 36 (рисунок 8) тележек 2−4 (рисунок 7),

Привод вибраторов возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний осуществляется от двигателя, например от электродвигателя 37 постоянного тока (рисунок 8).

Машина для уплотнения балласта железнодорожного пути работает следующим образом.

Перед началом работы гидроцилиндрами б (рисунок 7) промежуточная рама 7 с вибрационными тележками 2−4 опускается на рельсошпальную решетку. В процессе работы машины этими же гидроцилиндрами 6 производится статическое прижатие вибрационных тележек к рельсам 12. Рельсовыми роликовыми захватами (рисунок 8) вибрационные тележки 2 — 4 фиксируются относительно головок рельсов 12 рельсошпальной решетки в плоскости, перпендикулярной оси пути.

Включается электродвигатель 37, вращающий дебалансы вибраторов тележек, возбуждающих согласованные по частоте и фазам колебаний вибрации тележек, пере даваемые через катки 11 и ролики 13 на рельсошпальную решетку и балласт под шпалами. При работе машина непрерывно движется вдоль пути и оказывает на балласт в подшпальной зоне сложное согласованное по частотам и фазам колебаний вибрационное воздействие в виде возбуждаемых бегущих в вертикальной и горизонтальной плоскостях вдоль рельсошпальной решетки волн деформаций (рисунок 10), имитирующих в форсированном управляемом режиме уплотняющее воздействие поездной нагрузки, и колебаний каждой тележки в перпендикулярной оси пути плоскости по траектории одной из фигур Лиссажу, например по седлообразной фигуре Т (рисунок 11). При этом обеспечивается цикличное вибрационное нагружение уплотняемого балласта с образованием совместно действующих вертикальных и горизонтальных концентрированных (ударных) усилий в балласте, способствующих лучшей подвижности частиц при уплотнении.

Рисунок 9 — Положение дебалансов вибраторов возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний в положении, принятом условно за начальное Такое сочетание ударно-вибрационных нагрузок при упорядоченно-синхронизированном режиме вибрирования всех тележек машины повышает степень и равномерность уплотнения, т. е. качество уплотнения балласта.

Рассмотрим процесс возбуждения машиной бегущих вдоль рельсошпальной решетки волн деформации, например, возбуждаемых в вертикальной плоскости. На рисунке 10 буквой, А обозначено положение упругой линии рельсошпальной решетки в момент времени t1, принятый условно за начальный, а буквой В — положение в некоторый момент времени t2 после синхронного поворота дебалансов на некоторый угол в процессе работы.

Рисунок 10 — Схема образования и распространения «бегущей волны» вдоль рельсошпальной решётки Каждая вибрационная тележка, имеющая корпус 10, связанная через систему катки 12 — ролики 13 с рельсошпальной решеткой, при работе колеблется вместе с решеткой. Синхронизаторами 34 обеспечивается согласованное по фазе вращение дебалансов (в данном случае вибраторов возбуждения вертикальных колебаний). Благодаря тому, что дебалансы тележек, расположенных последовательно вдоль машины, повернуты вдоль машины относительно дебалансов следующей тележки (например, на угол 90°, рисунок 10). фазы колебаний соответствующих сечений рельсошпальной решетки смещены на эти же углы. Упругая линия, А рельсошпальной решетки по своей форме приближается к синусоиде. Так как рассматриваемые дебалансы вибраторов тележек синхронизированы, то они приводом поворачиваются на один и тот же угол. Например, в положении В упругой линии рельсошпальной решетки, соответствующем моменту времени t2, все соответствующие дебалансы тележек повернулись в одну и ту же сторону на равные углы. Соответственно, изменились фазы колебаний каждой вибрационной тележки и связанного с ней сечения рельсошпальной решетки. Например, если в момент времени t1 в сечении, соответствующем средней тележке, наблюдается максимум впадины рельсошпальной решетки, то в момент времени t2 в этом сечении максимума впадины уже не будет, а максимум впадины сместится на величину F (продольных смещений самой рельсошпальной решетки нет). Таким образом, максимум впадины при синхронном вращении соответствующих дебалансов всех вибраторов сместится на рисунке 10 влево со скоростью:

На рисунке 10 показана бегущая в вертикальной плоскости волна. Аналогичная волна образуется в горизонтальной плоскости.

Траектория Т (рисунок 11) компланарных (лежащих в одной плоскости, перпендикулярной оси пути) колебаний рельсошпальной решетки в виде одной из фигур Лиссажу (в конкретном примере — седлообразной) обеспечивается синхронизированным через зубчатые колеса 20,21,30 — 33 (рисунок 8) вращением дебалансов 18 и 19 вибратора возбуждения горизонтальных колебаний и дебалансов 26 — 29 вибратора возбуждения вертикальных колебаний. При этом передаточные отношения зубчатых колес равны 2:1, поэтому частота горизонтальных колебаний? Г меньше в два раза частоты вертикальных колебаний? В Это означает, что за один период горизонтальных колебаний реализуется два периода вертикальных, т. е. в верхнем и нижнем положениях тележка в течение периода горизонтальных колебаний будет находиться два раза.

Поворотом дебалансов 18,19,26 — 29 вибраторов возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний на 90° (рисунок 9) в условно принятом за начальное положении достигается соответствие амплитуды (наибольшего значения в течение периода колебаний)-вынуждающей силы Р вибратора вертикальных колебаний, направленной вниз, амплитуде вынуждающей силы Р вибратора горизонтальных колебаний. Этим самым в нижней точке траектории Т (рисунок 11) обеспечивается наибольшее силовое воздействие на уплотняемый балласт через рельсошпальную решетку, сопровождаемое вертикальными ударами с образованием боковых усилий в теле уплотняемого балласта (вертикально-боковой удар). Поэтому происходят не только вертикальные перемещения частиц, но и повороты, что способствует их лучшему проникновению в пустоты друг между другом. Такое концентрированное воздействие на балласт чередуется в течение периода колебаний с его разгрузками в крайних верхних положениях на траектории Т вибросмещений рельсошпальной решетки. В эти моменты реализуются пассивные смещения частиц (под действием сил упругости и веса самих частиц),

Чередование ударов в вертикальном и горизонтальном направлениях с разгрузками способствует эффективному протеканию процесса уплотнения, следовательно, повышению степени и равномерности уплотнения балласта. Это сочетается с упорядочением силового воздействия в форсированном управляемом режиме — уплотняющее воздействие поездной нагрузки, которое, как известно, приводит к полной стабилизации балласта.

Машина принципиально может реализовать скорость вынуждаемой упругой бегущей волны, приближающейся к скорости распространения свободной упругой волны (так называемой критической скорости движения), что соответствует возникновению резонансных явлений рельсошпальной решетки. В этом случае основная часть подводимой к вибраторам энергии расходуется не на «раскачку» рельсошпальной решетки, а на формоизменение (в данном случае уплотнение) балласта, лежащего под шпалами. Выбирая рациональные соотношения скоростей вынужденной бегущей волны (например, за счет выбора расстояния между вибрационными тележками или частоты колебаний) и свободной, можно управлять степенью и равномерностью уплотнения для их оптимизации, т. е. достигать более высокого качества уплотнения.

Рисунок 11 — Траектория вибросмещений рельсошпальной решетки в перпендикулярной оси пути плоскости

4. Определение основных параметров машины и рабочего оборудования Технологическое назначение БУМ — получить требуемую степень и равномерность уплотнения балластного слоя в зоне под шпалами и по длине пути. Вибраторы — это вибрационное устройство с дебалансным возбуждением колебаний. Свойства её зависят от сопротивления уплотняемого слоя и правильного выбора параметров. Поэтому технические расчеты вибраторов выполняются с целями: выбора рациональных геометрических параметров клиньев, скоростных и силовых параметров вибрирования, согласованных со скоростью рабочего движения машины (производительностью); определения тяговых сопротивлении; определения характеристик вибропривода; оценки прочностных свойств элементов конструкции и др.

4.1 Взаимодействие вибраторов со щебнем Анализ взаимодействия вибраторов с балластным слоем является исходным моментом для выполнения технических расчетов и конструкторской разработки. При виброобжатии балласта рабочая поверхность уплотнителыюго клина вибраторов, аналогично лопаткам подбоек, может работать с отрывом или без отрыва от балласта. Характер взаимодействия вибраторов с балластом поясняется диаграммой (рисунок 12, а) в координатах XOY. Вибраторы непрерывно движутся с рабочей скоростью машины. Рабочая поверхность уплотнительного клина вибраторов наклонена к направлению движения под углом ?. Возьмем некоторую точку К на поверхности клипа (рисунок 12, б). Траектория её абсолютного движения (последовательность точек К1-К4) относительно оси X имеет вид синусоиды (рисунок 12, а).

Рассмотрим характерные поперечные оси пути сечения 1−1 и 2−2, расположенные друг от друга на расстоянии, м где — период колебаний, принимаем 0,02 с;

— рабочая скорость машины, принимаем 2 м/с.

Если не учитывать отдачу балласта Yотд при отрывах рабочей поверхности клина, то положения границы балластного материала в порядке возрастания импульсов воздействия отражаются наклонными линиями, и т. д. Точка К в течение времени tотр находится в отрыве от балласта (траектория точек K1, К2, КЗ) — линия () и проходит вдоль пути расстояние, отрываясь на максимальную величину. Затем в точке КЗ имеет место удар поверхности клина о балласт и его обжатие до положения i.

Скорость подачи рабочей поверхности клина м/с где? — угол наклона рабочей поверхности уплотнительного клина вибраторов к направлению движения, принимаем 10?.

Величина смещения границы балласта за время контакта tкон в направлении к оси пути, м При виброобжатии на уплотнительном клине возникают силы реакции давления, МПа, р балласта по величине и характеру изменения, аналогичные взаимодействию подбойки с балластом. Особенность кинематики взаимодействия вибраторов с балластом — под воздействием сил сопротивления уплотнению вибраторы отклоняются упруго на подвеске от ненагруженного положения на величину динамического равновесного положения — Sоткл, вызывая силы пригрузки и нестабильный характер её работы. Точка К, принадлежащая уплотнительному клину, при обжатии скользит по поверхности балласта, поэтому проявляют себя силы трения.

Рисунок 12 — Схема взаимодействия вибраторов с балластом Для определения амплитуды колебаний, А вибраторв применена классическая одномассная колебательная схема.

Составим уравнение движения вибраторов для упруго-вязкой модели «вибраторы-балласт» (рисунок 13). Восстанавливающая сила в системе, кН

где — коэффициенты жесткости подвески вибраторов и балласта, согласно [1], стр. 503 Н/м).

.

Силы сопротивления, кН где — коэффициенты сопротивления подвески и балласта, согласно [1], стр. 503 Н/м с.

Действующими силами в системе будут: вынуждающая сила и силы пригрузки Sоткл, кН где — максимальная вынуждающая сила вибраторов, кН где — число дебалансов, четное для вибратора направленных колебаний, принимаем 33;

m — масса дебаланса, принимаем 1 кг;

r1 — эксцентриситет, принимаем 0,02 м;

w — угловая частота, согласно [1], стр. 502 принимаем w = 220 рад/с).

.

.

Согласно принципу Даламбера, спроектируем все силы на ось ОУ, получим дифференциальное уравнение движения вибраторов

.

.

.

Здесь h — коэффициент демпфирования колебаний, 1/с;

p — угловая частота собственных колебаний системы, рад/с.

Частное решение (8) установившегося движения вибраторов, учитывая (9), (10), (11), (12) имеет вид Выражаем из (13) амплитуду колебаний А, м где Мпр — приведенная масса системы, кг где тв — масса вибраторов, принимаем 200 кг;

тб — масса балласта, принимаем 300 кг.

.

.

Угол сдвига фаз между вынуждающей силой вибратора и колебательным перемещением вибраторов, рад Рисунок 13 — Расчётная модель к определению амплитуды колебаний вибраторов

4.2 Параметры взаимодействия вибраторов со щебнем Их находят из совместного рассмотрения уравнений колебательного у и поступательного х движений вибраторов Результирующее движение .S рабочей площади уплотнительного клина в направлении обжатия (перпендикулярно его рабочей площади) запишется как сумма проекций перемещений для уравнений (17) и (18)

СкоростьS' рабочей площади уплотнительного клина находится дифференцированием уравнения движения (19)

где Vобж — скорость подачи рабочей площади (скорость обжатия балласта), м/с Графики движения машины, вибраторов и результирующего движения вибраторов, соответствующие уравнениям (17), (18), (19), будут аналогичными графикам движения в координатах sOt для подбоек с учетом поправки на отклонение Sоткл вибраторов от ненагруженного положения.

Взаимодействие вибраторов с балластом за цикл колебаний можно полностью описать параметрами взаимодействия:

S — обжатие (подача) балласта, м;

Sотр — максимальный отрыв уплотнительного клина от балласта, м;

tотр — время отрыва уплотнительного клина от балласта, с;

tкон — время контакта уплотнительного клина балластом, с;

Vуд — скорость удара в момент встречи рабочей площади уплотнительного клина с балластом, м/с.

Эти параметры взаимодействия зависят от режимов виброобжатия балласта и изменяются при изменении амплитуды, частоты колебаний, скорости обжатия и характеристик уплотняемого балласта. Параметр режима виброуплотнения с отрывом рабочей поверхности клина Наилучший эффект уплотнения щебеночного балласта достигается при максимальной скорости вибрирования и скорости удара Vд = (0,7−1,2) м/с, т. е. при работе с отрывом уплотнительной поверхности клина от балласта.

Параметры взаимодействия определяются выражениями

4.3 Выбор параметров виброуплотнения Экспериментально установлено, что на эффективность вибрационного процесса уплотнения балласта влияют: параметры вибрирования (амплитуда, частота и форма колебаний); параметры взаимодействия (время отрыва и контакта, размер отрыва и обжатия, время вибрирования, скорость вибраторов в момент контакта); геометрические размеры (длина, высота и угол атаки рабочей площади); режимы уплотнения (скорость обжатия — движения машины и др.), а также условия и технология работы (вид ремонта, величина выправочной подъемки, тип верхнего строения пути, состояния балластного слоя и др.). Разнохарактерность этих параметров предопределяет выбор их совокупности, находящихся между собой в определенных соотношениях.

К основным параметрам виброуплотнения относятся амплитуда, А и угловая частота w вынужденных колебаний вибраторов, скорость обжатия балласта Vобж и параметры геометрии: длина b, высота? и угол? наклона рабочей поверхности уплотнительного клина к оси пути, заглубление z клина вибраторов под основание шпал и заход q3 уплотнительного клина за торцы шпал. Для оптимальных условий виброуплотнения путевого щебня отношение Для вибраторов условия использования взаимных перемещений частиц балласта при отдаче можно записать в виде неравенств где Sотд — упругая отдача щебня, принимаем согласно 0,004 м;

Проверим справедливость неравенства Проверим справедливость неравенства Проверим справедливость неравенства Проверим справедливость неравенства Все неравенства верны, следовательно для вибраторов условия использования взаимных перемещений частиц балласта при отдаче соблюдаются.

Выражения устанавливают связь между определяющими параметрами виброуплотнения А, w, VM,? и tотр. Рациональные частоты колебаний виброуплотнения в зависимости от состояния щебня (рыхлый, слежавшийся) лежат в пределах от 25 до 40 Гц; для асбестового балласта — от 15 до 25 Гц.

Необходимый суммарный кинематический момент дебалансных роторов вибраторов определяют по формуле предельной амплитуды колебаний А?= А, мкг т. е.

Упругая подвеска вибраторов, выполненная в виде рессорных комплектов, воспринимает нагрузки от колебаний рабочего органа и от сил тяги перемещению её в балласте. Суммарная жесткость упругой подвески выбирается из условия зарезонансного режима колебаний вибраторов, Н/м где f0 — допустимая собственная частота колебаний вибраторов, согласно принимаем 0,4 Гц

4.4 Расчёт мощности привода вибраторов При уплотнении мощность вибраторов расходуется на поддержание колебательного процесса с заданной амплитудой, преодоление внешних сопротивлений и внутренних потерь, кВт где Nупл (вибр) — мощность, расходуемая на уплотнение балластного слоя, преодоление сил инерции балластного материала и трение вибраторов о балласт, кВт;

Nо (м) — мощность, расходуемая на преодоление боковых сопротивлений, сил инерции, сил трения вибраторов о балласт со стороны обочины (о) пути и междупутья (м), кВт;

Nк (р) — мощность, расходуемая на преодоление внутренних потерь вибраторов при холостом (х) и рабочем (р) режимах её колебаний, кВт.

4.5 Распределение затрат мощности при виброобжатии При работе вибраторы совершают движения в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль пути вместе с движением машины и в поперечном оси пути направлении — вибрационное. Во время контакта t рабочей поверхности уплотнительного клина и балласта возникает силовое взаимодействие (рисунок 12).

Реактивное давление балласта па клин МПа, ввиду наличия сил трения в относительном движении клина и балласта является результирующим где рн — нормальная составляющая, вызванная трением, МПа, принимаем 0,18;

ртр — касательная, составляющая, вызванная трением, МПа;

?тр — угол трения действия давления р к нормали рабочей поверхности клина, град.

где fтр — коэффициент трения скольжения поверхности клина и балласта, согласно принимаем 0,4

Разложим давление р на составляющие:

ртяг (f) — тяговую, направленную вдоль пути, и обусловливающую тяговое сопротивление, МПа;

рви6р (f) — вибрационную, направленную поперек оси пути и нагружающую вибропривод, МПа.

Как видно из схемы Т. е. работа на уплотнение балластного слоя совершается как виброприводом, так и тяговым средством. Кроме того, трение в контакте клина и балласта способствует частичной разгрузке вибропривода и дополнительному нагружению тягового средства. Проявляет себя эффект, аналогичный «эффекту ножа», режущего материал при поступательном движении. Трение в контакте приводит к тому, что вибропривод может совершить меньшую работу, а тяговое средство — большую.

Реакция нормального рн давления, МПа, балласта на рабочую площадь уплотнительного клина возрастает от нуля до максимального значения и зависит от достигаемой степени еупл уплотнения где q — сопротивление путевого щебня при виброобжатии, МПа (для рыхлого балласта q — (0,3−0,5) МПа; для уплотненного балласта q = (0,6−0,8) МПа), принимаем 0,8;

eупл — степень уплотнения, по заданию 0,12.

Средняя мощность за цикл колебаний, кВт Интегрируя в интервале от 0 до найдём, кВт где — коэффициент сопротивления среды колебания, принимаем 0,1;

Мощность Nо (м) на преодоление боковых сопротивлений корпуса вибраторов с учетом пассивного давления сыпучего материала на стенку где LП — длина корпуса вибраторов, принимаем 2 м;

НП — поднятие рельсошпальной решётки, принимаем 0,1 м;

? — плотность балласта, принимаем 1500 м3/кг;

? — внутренний угол трения балласта, принимаем 5?;

vп.ср — средняя скорость колебаний, принимаем 20 м/с;

?'о (м) — коэффициент, учитывающий работу вибраторов со стороны обочины пути (?'0=0,75) и междупутья (?'M=1), принимаем 1

Внутренние потери мощности в холостом и рабочем режимах Nх (р), кВт, складываются из потерь мощности в зубчатом зацеплении Nх (р)з, кВт, в подшипниковых опорах NП, кВт, а также в рессорной подвеске и на взбалтывание масла в корпусе вибраторов, т. е.

Потери мощности в зубчатом зацеплении учитываются к.п.д. ?общ зубчатой передачи и зависят от подводимой мощности? Ni к вибраторам Мощность NП, расходуемая па преодоление момента сил трения в подшипниковых опорах качения валов дебалансов вибратора, кВт где — амплитудные усилия в соответствующих i-тых подшипниковых опорах, вызванных центробежной силой вращающихся дебалансов, принимаем 40 кН;

— диаметр вала подшипника, принимаем 0,1 м;

— угловая частота колебаний 1-ой ступени передачи, принимаем 110 рад/с;

— коэффициент трения подшипника качения, согласно принимаем 0,01.

Мощность, расходуемая на преодоление сил трения в рессорной подвеске и на взбалтывание масла, составляет не более (6−10)% от общих затрат и учитывается коэффициентом неучтенных потерь (?=1,15−1,2).

Мощность электродвигателя выбирают по наиболее нагруженному вибратору, кВт

4.6 Тяговый расчёт машины Общее сопротивление движению машины ВПО, возникающее при взаимодействии её рабочих органов с балластом и путевой решеткой, кН где Wосн — основное сопротивление движению машины, кН;

Wупл — сопротивление движению машины от вибраторов, кН;

Wвсп — сопротивление движению машины от вспомогательного оборудования, кН;

Wотк — сопротивление движению машины от уплотнителей откосов, кН.

где, ,, , — составляющие реакции балласта, согласно принимаем соответственно 17,5 кН, 15 кН, 18 кН, 22 кН, 8,8 кН;

где Wд — сопротивление дозатора, согласно принимаем 8 кН;

— сопротивление рельсовых щёток, согласно принимаем 7 кН;

— сопротивление магнитов, согласно принимаем 2,5 кН;

— сопротивление рихтовочных роликов, согласно принимаем 2 кН;

Wп — сопротивление планировщиков, согласно принимаем 7,5 кН;

Wр — сопротивление рассекателей, согласно принимаем 5,5 кН;

Wшщ — сопротивление шпальных щёток, согласно принимаем 1,8 кН;

Максимальное тяговое сопротивлению движению вибраторов, возникающее в конце момента виброобжатия, кН где — сопротивление от первого и второго уплотнительных клиньев, кН;

Wзащ — сопротивление перемещению от сил трения защемлённых поверхностей вибратора о балласт, кН;

Wбок — сопротивление перемещению от сил трения боковых поверхностей вибратора о балласт, кН;

(54)

где? — коэффициент бокового распора балласта, согласно принимаем 0,84;

Fзащ — площадь защемления боковых поверхностей уплотнительных клиньев, согласно принимаем 0,3 м²;

? — угол между направлением колебаний вибраторов и абсолютной скоростью, зависящей от скорости движения машины, амплитуды и частоты колебаний вибраторов, согласно принимаем 90?;

где k (0) — коэффициент, учитывающий эффект вибрации, согласно принимаем 0,95 кН;

Qотк — нормальная составляющая сила пригрузки от одного уплотнительного откоса на балласт, согласно принимаем 6,8 кН;

Сопротивления преодолеваемые силой тяги машины, кН

(57)

где ?Т — коэффициент запаса тягового усилия на неучтённые сопротивления, согласно принимаем 1,2;

5. Меры безопасности при работе машины

5.1 Общие сведения Общество, используя различные средства, обеспечивает определенный уровень безопасности производства, который, однако, может лишь приближаться к идеальному или абсолютному уровню. Технические и экономические возможности не позволяют достигнуть абсолютной безопасности. Поэтому при выполнении основных производственных процессов человек подвергается опасности.

На транспорте основными производственными процессами являются перевозка пассажиров и грузов, техническое обслуживание и ремонт подвижного состава, перегрузочные работы. Выполнение этих работ должно осуществляться с учетом требований техники безопасности, в числе которых безопасность для жизни и здоровья людей, надежность эксплуатации, свободность доступа при обслуживании и эксплуатации, облегчение и оздоровление условий труда.

Безопасность производственных процессов достигается рационализацией конструкторских решений, разработкой и внедрением совершенных технологических процессов, применением различных средств зашиты, оптимальной планировкой и оснащением рабочих мест.

Рабочим местом называется производственная зона, имеющая технические средства, необходимые для совершения трудовой деятельности.

При управлении подвижным составом рабочим местом машиниста является кабина транспортного средства. Для обеспечения безопасности и удобства управления планировка кабины, размещение приборов и оборудования, средств автоматизации и контроля должны быть продуманы еще на этапе конструирования подвижного состава. Особенности работы разных типов подвижного состава накладывают свои специфические требования на организацию рабочих мест водителя и остальных членов экипажа.

На железнодорожном транспорте в конструкции локомотива учитываются безопасность жизнедеятельности локомотивной бригады и защита от воздействия вредных и опасных производственных факторов, возникающих как внутри транспортного средства, так и действующих снаружи. Для этой цели кабина машиниста отделена от машинного отделения тамбуром. Он способствует защите от шума, вибраций, непосредственного контакта с вращающимися деталями, теплового воздействия и электромагнитных полей. Контроль за работающими дизель-генераторами ведется машинистом по приборам и только при необходимости осуществляется путем непосредственного посещения машинного отделения.

Облегчение управления локомотивом достигается устройствами автоматической локомотивной сигнализации, дополненной автостопом и устройствами проверки бдительности машиниста и контроля скорости движения. Все локомотивы оборудованы звуковыми сигнальными устройствами — большой и малой громкости (свистками), предупреждающими о приближении локомотива, а также прожекторами и сигнальными буферными фонарями. Локомотивы снабжаются автоматическим и ручным тормозами и системой аварийно-экстренного торможения.

Силовое электрооборудование локомотива располагают в высоковольтных камерах, шкафах и на крыше. Для исключения доступа к такому оборудованию при наличии напряжения на токоприемнике все съемные ограждения электрических устройств (крышки, панели, шкафы, ящики) оборудуют механической блокировкой. При приемке локомотива в эксплуатацию проверяют исправность защитных блокировок, состояние заземлений и предупредительных надписей.

На каждом локомотиве или электропоезде должны быть следующие защитные средства: две пары диэлектрических перчаток, два диэлектрических коврика, отключающая изолирующая штанга, две изолирующие заземляющие штанги на электропоездах переменного тока, два противогаза на тепловозах, оборудованных противопожарной установкой газового тушения, три пары шумоизолирующих наушников.

Типовыми требованиями по технике безопасности и производственной санитарии при создании магистральных и маневровых тепловозов и электровозов предусмотрено в кабине машиниста отопление с терморегуляцией, механической вентиляцией и устройством для кондиционирования воздуха так, чтобы при любых температурах наружного воздуха в кабине обеспечивались комфортные показатели микроклимата. Ветровые стекла кабин должны быть снабжены устройствами, способствующими хорошей видимости: светофильтрами, защищающими от слепящего действия солнечных лучей, прожекторов встречных поездов, и механическими очистителями ветрового стекла.

В состав локомотивной бригады на поездных локомотивах, как правило, включают два человека — машиниста и помощника машиниста. По разрешению МПС, возможно обслуживание поездного локомотива одним лицом — машинистом, но в этом случае обязательно наличие устройства автоматической остановки поезда, которое срабатывает при потере машинистом жизнедеятельности.

На магистральных локомотивах предусматривают санитарные узлы, умывальники с подогревом воды, шкафы для хранения одежды и продуктов питания, холодильники, аптечки с медикаментами.

5.2 Защита от воздействия электрического тока Для обеспечения безопасности жизнедеятельности при обслуживании электроустановок и надежности работы необходимо точное соблюдение правил технической эксплуатации электроустановок и проведение мероприятий по защите от электротравматизма.

Мероприятия по предупреждению поражения человека электрическим током и повседневная профилактическая работа включают в себя определенные аспекты деятельности.

Одним из аспектов является применение безопасного напряжения — 12 В и 36 В. Для его получения используют понижающие трансформаторы, которые включают в стандартную сеть с напряжением 220 В или 380 В.

В целях уменьшения опасности поражения человека электрическим током применяют малое номинальное напряжение — не более 42 В. Оно используется для питания ручного электрифицированного инструмента, переносных светильников и местного освещения в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных. Однако безопасность малое напряжение не гарантирует, поэтому должны применяться и другие меры защиты.

По условиям электробезопасности электрические устройства разделены по напряжению: до 1000 В включительно, выше 1000 В, а также устройства с малым напряжением, не превышающим 42 В.

Для защиты от случайного прикосновения человека к токоведущим частям электроустановок используют ограждения в виде переносных щитов, стенок, экранов, располагаемых в непосредственной близости от опасного оборудования или открытых токоведущих шин. Ограждения создают помехи для неконтролируемого перемещения работающего и исключают возможность его попадания в опасную зону. Другой прием для предупреждения случайных электротравм состоит в размещении опасных или незащищенных электрических проводов на недоступной высоте в помещении.

Часто оградительные устройства применяют совместно с сигнализацией и блокировкой. Конструкция таких устройств предполагает определенный порядок доступа к электрическим аппаратам или оборудованию, нарушение или несоблюдение которого вызывает автоматическое отключение напряжения (блокировку) на защищаемом участке.

Важное значение для защиты от случайных прикосновений играет изоляция токоведущих частей и деталей электрооборудования. Приборы и электроустройства всегда имеют рабочую изоляцию, обеспечивающую нормальную работу и защиту от поражения электрическим током. Для повышения надежности и электробезопасности оборудования используют двойную изоляцию, состоящую из рабочей и дополнительной. В некоторых ответственных электрических устройствах применяют усиленную изоляцию, обеспечивающую такую же степень защиты, как и двойная изоляция.

Сопротивление изоляции зависит от напряжения сети. В сетях с напряжением менее 1000 В оно должно быть не менее 0,5 МОм.

Для защиты людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, используют заземление или зануление.

Заземлением называется преднамеренное электрическое соединение металлического корпуса электроустановки с землей или ее эквивалентом (водопроводные трубы, железобетонные балки и др.).

Занулением называется электрическое соединение металлических частей электрического устройства с заземленной точкой источника питания электроэнергией при помощи нулевого защитного проводника.

Защитное заземление и зануление следует выполнять при номинальном напряжении переменного тока 380 В и выше во всех случаях. В условиях работ с повышенной опасностью и особо опасных защитное заземление и зануление выполняют, начиная с малых напряжений, а во взрывоопасных помещениях — независимо от величины напряжения.

Для заземления электроустановок используют, в первую очередь, естественные заземлители: проложенные под землей водопроводные трубы, железобетонные конструкции зданий, сооружений, свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле, и т. п. В качестве искусственных заземлителей используют заглубленные стальные полосы или прутки, укладываемые на дно котлована по периметру фундаментов, угловую сталь со стенкой толщиной не менее 4 мм и длиной до 3 м, забиваемую вертикально. Для повышения прочности искусственных заземлителей их сваривают между собой электросваркой.

Защитное отключение — это система защиты, обеспечивающая безопасность путем быстрого автоматического отключения электроустановки при возникновении на ее корпусе опасного напряжения. Продолжительность срабатывания защитного отключения составляет 0,1—0,2 с. Данный способ защиты используют как единственную защиту или в сочетании с защитным заземлением и занулением. На транспорте часто приходится встречаться с явлениями статического и атмосферного электричества. Защита от опасного воздействия статического электричества занимает важное место, так как многие производственные процессы и работа подвижного состава связаны с явлениями статической электризации. В результате этих явлений при операциях с наливом или сливом топлив, на корпусных деталях отдельных устройств или целиком на кузове возникает заряд статического электричества. Отмечаются частые случаи воспламенения горючих сред от разрядов статического электричества. Даже при наливе дизеля в пластмассовую канистру могут возникнуть загорания от искры статического электричества. Иногда воспламеняется горючая среда от искрового разряда с одежды человека.

В связи с реальной опасностью статического электричества разработаны приемы и средства зашиты, позволяющие отводить электрические заряды с трубопроводов, емкостей, фильтров и другого оборудования.

Основным средством борьбы со статическим электричеством на всех объектах является применение заземляющих устройств. Они позволяют снизить разность потенциалов между объектом и землей до нуля и тем самым исключить возможность накопления опасного потенциала. Для гарантии надежности заземления сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 100 Ом.

Тележки и электрокары, применяемые для перевозки сосудов с горючими жидкостями и веществами, должны быть снабжены металлической заземляющей цепочкой или антистатическим ремнем. Чтобы снизить опасность электризации топлив в емкости, применяют антиэлектростатические присадки. Наполнение бочек, канистр, бидонов топливом ведут при установке их на заземленный металлический лист.

Эффективным средством защиты от статического электричества является увлажнение помещений. Установлено, что при относительной влажности 70% накопления электростатических зарядов на поверхностях не происходит.

Рассмотренные направления деятельности по обеспечению электробезопасности должны осуществляться в комплексе с использованием средств коллективной и индивидуальной защиты. Последние защищают людей, работающих с электроустановками, от поражения электрическим током или от воздействия электрической дуги и электромагнитного поля. По назначению электрозащитные средства подразделяются на изолирующие, ограждающие и вспомогательные.

Изолирующие средства делят на основные и дополнительные. Основные средства обладают высокой электрической прочностью и позволяют работать без отключения напряжения на установках до и выше 1 000 В. К таким средствам относят: диэлектрические перчатки, инструмент с изолированными рукоятками, изолирующие и электроизмерительные клещи, изолирующие штанги, токоискатели. Дополнительные изолирующие средства усиливают защитное действие основных средств, с которыми их применяют совместно. В их число входят: изолирующие подставки, диэлектрические галоши, перчатки, боты, коврики.

Вспомогательные защитные средства применяют для защиты от случайного падения с высоты, предохранения от световых и тепловых воздействий. Вспомогательными средствами являются, канаты, когти, защитные очки, рукавицы, противогазы, предохранительные пояса, суконные костюмы и др.

К организационным мероприятиям, обеспечивающим безопасность работы на электроустановках, относятся: отбор персонала по обслуживанию электроустановок, оформление работы, допуск к работе, надзор во время работы, оформление перерыва в работе, перевода на другое рабочее место и окончания работы.

К работам по обслуживанию действующих электроустановок допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие предварительный медицинский осмотр и не имеющие медицинских противопоказаний. В процессе работы персонал, занятый на электроустановках, должен проходил медицинское освидетельствование не реже одного раза в 2 года. Лица, допускаемые к обслуживанию, ремонтно-монтажным и наладочным работам на электроустановках, обязаны пройти инструктаж и обучение безопасным методам труда, проверку знаний правил безопасности и инструкций и иметь квалификационную группу по технике безопасности, присвоенную в соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации (ПТЭ) и Правил техники безопасности (1Mb).

5.3 Меры борьбы с шумом Для ограничения транспортного шума наряду с нормированием осуществляется проведение инженерно-технических и организационных мероприятий. Они имеют целью ограничение уровней звукового давления до приемлемых уровней, при которых воздействие шума не влияет на безопасность жизнедеятельности человека. На транспорте меры борьбы с шумом включают акустическое совершенствование подвижного состава и разработку средств снижения шума на открытом пространстве и в рабочих зонах помещений.