Разработка стенда для вывешивания и сдвига рельсошпальной решетки
Для расширения сферы применения машин и более точной постановки решетки в требуемое положение на некоторых машинах путеподъемные устройства должны перемещаться вдоль фермы машины. Расположение ПРУ в пролете машины зависит от вида путевых работ. Так, путеподъемные устройства балластировочных и щебнеочистительных машин устанавливают в местах, где необходимо наибольшее вывешивание решетки… Читать ещё >
Разработка стенда для вывешивания и сдвига рельсошпальной решетки (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Сибирский государственный университет путей сообщения
Дипломный проект
по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование»
Тема: Разработка стенда для вывешивания и сдвига рельсошпальной решетки
Пояснительная записка
ДП.21.00.00.00 ПЗ
1 Анализ конструкций оборудования для вывешивания и сдвига рельсошпальной решетки
2 Разработка стенда
2.1 Геометрическая компоновка рабочего оборудования на раме
2.2 Расчет усилий вывешивания и сдвига бесстыкового пути
2.3 Конструирование элементов стенда
3 Порядок проведения работ
4 Экономический расчет
5 Охрана труда Заключение Список использованных источников Приложение, А Распечатка усилий в опасных сечениях стержней Приложение Б Напряжения в узлах стержней Приложение В Перемещение в узлах стержней
Для механизации балластировочных, щебнеочистительных и выправочно-подбивочных работ используют специализированные машины непрерывного и циклического действия. Одними из основных операций при выполнении указанных путевых работ, является подъемка и выправка пути, производимые с помощью специальных рабочих органов — подъемно-рихтующих устройств (ПРУ).
ПРУ позволяет производить вывешивание путевой решетки на высоту Hвыв в продольном профиле, сдвиг на величину Sсдв в плане и перекос hвоз по уровню (возвышение небазового рельса над базовым в кривых участках пути).
Технологический процесс подъемки и выправки путевой решетки представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 — Технологический процесс подъемки и выправки путевой решетки На балластировочных машинах (ЭЛБ-3МК, ЭЛБ-3ТС, МПП-5) подъемно-рихтовочное устройство производит вывешивание путевой решетки, для обеспечения подачи и разравнивания балласта под шпалами с помощью других рабочих органов.
На щебнеочистительных машинах (ЩОМ-4М, СЧ-600, СЧУ-800РУ) с помощью подъемно-рихтовочного устройства производится вывешивание решетки, для размещения под ней элементов щебнеочистительного оборудования. Кроме того, осуществляется постановка решетки в положение, обеспечивающее возможность пропуска других машин по реконструируемому пути.
На выправочно-подбивочных машинах (ВПО-3000, ВПО-З-3000, ВПР-1200, ВПР-02, ВПРС-500, ПМ-600, ВПМА-01) с помощью контрольно-измерительной системы происходит измерение положения путевой решетки и последующее формирование команд управления подъемно-рихтующим устройством, которое переместит и установит путевую решетку в требуемое (проектное) положение. Решетка в выправленном положении закрепляется посредством подачи балласта под шпалы и его уплотнения с помощью других рабочих органов машины.
Машины с путеподъемными и выправочными устройствами используют в комплекте с другими машинами или как самостоятельные средства. При работе в комплекте балластировочные и щебнеочистительные машины находятся в голове цепочки машин, а выправочно-подбивочные выполняют заключительные работы. К последним предъявляют более жесткие требования. Это связано с тем, что работы этих машин на заключительном этапе предшествуют открытию перегона для движения поездов.
Производительность машин, используемых при комплексной механизации путевых работ, определяется производительностью головной машины. В свою очередь для машин, у которых операции по перемещению решетки совмещены по времени с выполнением других операций, производительность определяется наиболее энергоемким процессом. Путеподъемные и выправочные устройства не должны снижать производительность машины. При современных технологиях она должна быть не ниже 2,5…3 км/ч для машин непрерывного и 0,3…0,5 км/ч для машин циклического действия. В случае выполнения работ только по смещению решетки производительность существенно повышается и составляет 5…10 км/ч и 1,5…2 км/ч соответственно для машин непрерывного и циклического действия.
На балластировочных и щебнеочистительных машинах путеподъемные устройства обеспечивают условия для эффективного выполнения основных операций (подведение балласта под решетку, его очистка). Здесь не требуются высокие скорости изменения положения решетки и высокая точность ее постановки в требуемое положение.
Рабочие скорости вывешивания и сдвига решетки составляют 0,005…0,01 м/с. С большей скоростью работают выправочные устройства, особенно на машинах циклического действия. Опыт эксплуатации машин непрерывного действия показывает, что скорости должны быть повышены до 0,015…0,03 м/с.
Важными параметрами для балластировочных машин являются величины вывешивания и сдвига решетки. Для современных условий производства работ они должны составлять 0,3…0,45 м. Увеличение вывешивания и сдвига дает возможность более эффективно использовать машины. Например, при производстве балластировочных работ, подъемку пути на требуемую высоту можно осуществить за один проход.
На выправочно-подбивочных машинах различают суммарные величины вывешивания и сдвига решетки и величины вывешивания и сдвига при выправке пути. Для более эффективного использования машин по выправке пути и расширения сфер их применения величины вывешивания решетки должны составлять 100…150 мм. Существенное сглаживание неровностей пути достигается уже при вывешивании решетки на 30…50 мм. Поэтому вывешивание и сдвиг решетки при выправке пути должны быть не менее 50 мм.
Наиболее жесткие требования к выправочным устройствам предъявляют по точности постановки решетки в требуемое положение и продолжительности отработки команд. Точность постановки решетки по уровню должна быть ±2 мм. Время отработки команд — 1,5…3 с.
Применение в балластировочных машинах автоматических систем с целью более точной постановки решетки в требуемое положение дает заметный эффект, если применяются устройства для закрепления решетки в смещенном положении.
Точность постановки решетки в требуемое положение во многом зависит от конструкции рельсовых захватов. Они должны обеспечивать надежный захват и удержание решетки на всех участках пути. Зона захвата рельса при этом должна быть минимальной длины.
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЫВЕШИВАНИЯ И СДВИГА РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ
По ряду важных технических показателей машины с путеподъемными и выправочными устройствами не полностью соответствуют производственно-техническим требованиям эксплуатационников. Основными причинами этого являются несовершенство конструкций устройств и недостаточно полная изученность процессов выправки пути. Такие показатели машин, как производительность и точность постановки решетки в требуемое положение, можно повысить за счет изменения компоновки узлов и привода механизмов выправочного устройства, совершенствования рельсового захвата и его подвески.
Для расширения сферы применения машин и более точной постановки решетки в требуемое положение на некоторых машинах путеподъемные устройства должны перемещаться вдоль фермы машины. Расположение ПРУ в пролете машины зависит от вида путевых работ. Так, путеподъемные устройства балластировочных и щебнеочистительных машин устанавливают в местах, где необходимо наибольшее вывешивание решетки, обеспечивающее работу других устройств (например, щебнеочистительного), или где требуемое вывешивание достигается наименьшей силой. Устройства выправки на выправочно-подбивочных и рихтовочных машинах располагают ближе к задней тележке с целью фиксации решетки в требуемом положении.
Также, от расположения ПРУ зависит точность постановки решетки при входе машины в кривую и при выходе из нее.
На балластировочных машинах, вследствие большой загрузки балластом передней части решетки, напряжения в рельсах выше, чем в той части, которая находится за захватом. Поэтому путеподъемное устройство целесообразно располагать не по центру свободного пролета, а со смещением к задней тележке. Соотношение расстояний между передней тележкой и захватом l1 и между захватом и задней тележкой l2 рекомендуется принимать l1: l2 = 1: 0,83.
Рисунок 2 — Схема расположения ПРУ в пролетах машин, а — двухпролетный балластер; б — выправочно-подбивочно-рихтовочная машина Путеподъемные устройства работают с опиранием на ферму машины или на балластную призму (рисунок 3).
Рисунок 3 — Виды опор ПРУ, а — ПРУ с опорой на ферму машины; б — ПРУ с опорой на балластную призму На машинах применяют маятниковые (рисунок 4) и консольные подвески (рисунок 5) рельсовых захватов с электромеханическим и гидравлическим приводами.
При электромеханическом приводе в многочисленных соединениях элементов устройства появляются износовые зазоры. Кроме того, для предотвращения заклинивания подвески захватов при переносе решетки предусмотрены технологические зазоры между контактными роликами механизма сдвига и вертикальной тягой. В электромагнитных рельсовых захватах имеется зазор между ребордой опорно-рихтующего ролика и головкой рельса.
Высокая инерционность системы и наличие многочисленных зазоров снижают точность постановки решетки в требуемое положение и вызывают необходимость снижения рабочей скорости машины.
С целью повышения быстродействия системы на выправочно-подбивочных машинах непрерывного действия используют реверс-редукторы с электромагнитными муфтами. В электромагнитных захватах применяют специальные рихтующие ролики. Применение гидропривода повысило эффективность работы выправочных и путеподъемных устройств.
Рисунок 4 — Кинематическая схема ПРУ ВПО-3000
1, 10 — параллелограммная подвеска; 2 — указатель; 3, 8, 14 — червячный редуктор подъема и сдвига; 4, 7, 13 — реверс-редуктор; 5, 6, 12, 16 — электродвигатель; 9, 25 — ходовой ролик; 11 — каретка; 15 — ходовой винт; 17 — червячный редуктор рихтующих роликов; 18 — двуплечий рычаг; 19, 28, 29 — направляющая; 20 — рихтующий ролик; 21, 23 — электромагнит; 22 — опорный ролик; 24 — поперечная балка; 26 — упорный каток; 27 — квадрат; ЭМП, ЭМЛ, ЭМТ — электромагнитные муфты реверса и тормозов Используемые на машинах маятниковые и консольные подвески рельсовых захватов имеют и другие недостатки. Так, при маятниковой подвеске (по типу ВПО-3000) изображенной на рисунке 4, механизм сдвига решетки расположен по высоте на значительном расстоянии от рельсового захвата. Это увеличивает время выбора зазоров и мощность на сдвиг и вывешивание решетки. Более удачной является подвеска на машине ВПО-3−3000, кинематическая схема которой приведена на рисунке 6. Консольная подвеска захватов по типу ВПР-1200 работает эффективно лишь при малых величинах вывешивания и сдвига решетки (30…50 мм).
Важным узлом в путеподъемных и выправочных устройствах является рельсовый захват. На машинах применяют в основном электромагнитные (рисунок 7) и роликовые (рисунок 8) захваты. От надежности захвата и удержания решетки в процессе работы существенно зависит производительность и точность постановки решетки в требуемое положение. При сбросе захватом решетки требуется дополнительное время на перезарядку рабочих органов и устранение перекосов решетки. В результате снижаются производительность и точность постановки решетки.
Рисунок 5 — Кинематическая схема ПРУ ВПР-02
1 — гидроцилиндр подъема пути; 2 — вертикальная направляющая; 3 — кронштейн; 4 — гидроцилиндр привода захватов; 5 — балансир; 6 — захватные ролики; 7 — рихтующий гидроцилиндр Рисунок 6 — Кинематическая схема ПРУ ВПО-3−3000
1 — гидроцилиндр подъема пути; 2 — реактивный кронштейн; 3 — гидроцилиндр сдвига пути; 4 — электромагнитные роликовые захваты; 5 — рихтующие ролики; 6 — траверса; 7 — центральная балка; 8 — шарнирный узел крепления центральной балки и реактивного кронштейна Сброс решетки электромагнитным захватом происходит по нескольким причинам. На пути с асбестовым балластом происходит налипание металлических включений к магниту. Электромагнитное поле рассеивается, подъемная сила захвата уменьшается. Необходима очистка пространства в зоне рельса от балласта.
Рисунок 7 — Электромагнитный рельсовый захват
1 — электромагнитная катушка; 2 — опорный ролик; 3 — корпус электромагнита Рисунок 8 — Роликовый рельсовый захват
1 — гидроцилиндр привода захвата; 2 — рихтующий ролик; 3 — захватный ролик Одной из причин сброса решетки является также неравномерность нагрузок на катушки по длине захвата. При изгибе решетки наибольший ее прогиб смещается в сторону более длинного свободного пролета и практически может находиться вне рельсового захвата. В результате задние катушки нагружаются больше, чем передние и это способствует отрыву от рельса всего магнита. Отрыву захвата способствует также неравномерность зазоров по его длине между нижней пластиной магнита и головкой рельса. По концам захвата они больше, чем в середине. Выравнивание нагрузок на катушки и равномерность зазоров можно обеспечить использованием секционных рельсовых захватов небольшой длины. При односекционном захвате эти недостатки можно устранить применением одноконсольного захвата. Консоль у захвата должна быть только с задней стороны.
Отрыв захвата от рельса происходит также вследствие неудачной конструкции подвески корпуса захвата к поперечной балке. Усилие на перемещение захвата вдоль рельса передается в верхней части его корпуса. При увеличении сопротивления перемещению захвата (особенно на стыках) создается дополнительный момент, разворачивающий магнит в вертикальной плоскости относительно переднего ролика. Это способствует отрыву захвата от рельса. Указанный недостаток можно устранить присоединением подвески к нижней части его корпуса. При такой конструкции существенно уменьшается момент, разворачивающий магнит. С этой же целью можно использовать захват с несимметричным расположением катушек относительно его подвески. Повышает надежность работы электромагнитного захвата также использование дублирующих рельсозахватных роликов.
Роликовые захваты используются в основном на машинах циклического действия. Они приводятся в действие при остановке машины во время рабочего цикла. В настоящее время делается попытка использования этих захватов на машинах непрерывного действия. Однако разработанные конструкции имеют ряд недостатков. В частности, не отработана конструкция, надежно удерживающая решетку в вывешенном состоянии при проходе рельсовых стыков. Не предусмотрены устройства для регулировки зазоров между роликами и рельсами в случае использования машин на путях с различным типом рельсов или при износе роликов. Как и в электромагнитных захватах, наиболее нагруженными являются ролики со стороны меньшего свободного пролета. В конструкции захвата должны быть предусмотрены устройства, выравнивающие нагрузки по его длине на захватных и рихтующих роликах. Нагрузки на один захватный ролик находятся в пределах 25…30 кН, на рихтующий ролик — 10…15 кН.
Надежность работы роликов зависит от их конструкции и взаимного расположения. Для свободного прохода захватами кривых участков пути и наибольшего вывешивания решетки с меньшим усилием необходимо захватывать рельс на небольшой длине. Однако сближение роликов может привести к тому, что оба комплекта захватных роликов будут находиться на рельсовой накладке. Надежность захвата и удержания решетки при этом резко снижается.
Конструкции захватов должны обеспечивать возможность прохода машиной кривых участков пути и участков с изменением ширины колеи, без заклинивания роликов. Особенно это важно в устройствах с электромеханическим приводом.
Следует отметить, что усовершенствование захватов делается с учетом типа машины и условий производства работ. Так, многосекционные захваты целесообразно применять на машинах с большими свободными пролетами (балластировочные и щебнеочистительные машины). На машинах с малой базой захваты должны быть небольшой длины и иметь дублирующие элементы.
2 РАЗРАБОТКА СТЕНДА
2.1 Геометрическая компоновка рабочего оборудования на раме
Основу стенда составляет удлиненная рама грузовой платформы (рисунок 9), состоящая из двух боковых балок и двух хребтовых изготовленных из двутавра № 60 с переменным по высоте сечением.
Рисунок 9 — Грузовая платформа Длина рамы стандартной платформы была увеличена на 10 250 мм и составляет 23 650 мм, для того чтобы обеспечить базу стенда Lм=19 950 мм.
ПРУ взято с выправочно-подбивочной машины ВПР-02 и смонтировано с опорой на раму стенда Кинематическая схема ПРУ представлена на рисунке 5.
Как уже говорилось в аналитическом обзоре, расположение подъемно-рихтовочного устройства в пролете путевых машин зависит от типа машины и ее назначения. У щебнеочистительных и балластировочных машин ПРУ расположено в середине пролета, а у выправочно-подбивочных машин ПРУ находится ближе к задней тележке. Схема компоновки подъемно-рихтовочного устройства на раме стенда изображена на рисунке 10.
Рисунок 10 — Общая схема компоновки лабораторного стенда Проектируемый мной в дипломном проекте лабораторный стенд будет иметь переднюю стационарную тележку и заднюю перемещаемою вдоль рамы стенда.
Задняя тележка фиксируется в одном из трех возможных положений, для этого на раме стенда дополнительно находятся еще две шкворневых балки. При максимальной базе платформы Lм = 19 950 мм, ось ПРУ находится в середине пролета как у щебнеочистительных и балластировочных машин. При минимальной базе платформы Lм =14 570 мм, ось ПРУ расположена на расстоянии 4595 мм, что равнозначно расположению ПРУ у машины ВПР-02.
2.2 Расчет усилий вывешивания и сдвига бесстыкового пути
2.2.1 Расчет усилий вывешивания
2.2.1.1 Расчетный случай № 1
Исходные данные: длина защемленного рельса в пролете стенда L: 18,1 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой передней тележки ар: 9,05 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой задней тележки bp: 9,05 м; величины вывешивания путевой решетки Hвыв, м: 0,01; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25.
Расчетная схема изображена на рисунке 11.
Рисунок 11 — Расчетная схема № 1 к определению усилия вывешивания РШР Суммарное усилие вывешивания Рсум, Н [10]:
(1)
где Р — основное усилие вывешивания путевой решетки Р, Н [10]; Рдоп — дополнительное усилие вывешивания путевой решетки Рдоп, Н.
(2)
где q — погонное сопротивление подъему путевой решетки q, Н/м [10]; Е — модуль упругости рельсовой стали, Н/м2 [10]; Ix — момент инерции поперечных сечений двух рельсов относительно главных горизонтальных осей, Iх = м4.
(3)
где qпр — погонный вес путевой решетки, qпр = 6500 Н/м [10]; qб — погонное сопротивление балласта подъему, qб = 9500 Н/м [10]; к — коэффициент, зависящий от типа верхнего строения пути, к = 196 Н/м.
Н/м.
Н.
(4)
где кд — поправочный коэффициент, кд = 1,2 [10]; дополнительные изгибающие моменты Мда и Мдб ,.
(5)
(6)
где Рпр — продольное усилие растяжения двух рельсовых нитей, Н [10]; - угол поворота рельсов, рад.
(7)
.
(8)
где М1 — реактивный изгибающий момент, [10]; R1 — реактивное усилие, Н.
(9)
(10)
.
.
.
.
Реактивное усилие R2, Н [10]:
(11)
Н.
Расчет усилий вывешивания рельсошпальной решетки по формулам (1) — (11) при различных величинах Hвыв сведен в таблицу 1.
Таблица 1 — Усилия вывешивания РШР при величине L=18,1 м
Величина вывешивания решетки Hвыв, м | 0,05 | 0,1 | 0,15 | 0,2 | 0,25 | |
Погонное сопротивление подъему q, Н/м | 15 990,2 | 15 980,4 | 15 970,6 | 15 960,8 | ||
Основное усилие подъема решетки Р, Н | 168 376,8 | 191 953,7 | 215 530,5 | 239 107,4 | 262 684,2 | |
Реактивное усилие R1 , Н | — 60 522,9 | — 48 645,8 | — 36 768,7 | — 24 891,5 | — 13 014,4 | |
Реактивное усилие R2 , Н | — 60 522,9 | — 48 645,8 | — 36 768,7 | — 24 891,5 | 13 014,4 | |
Граничный реактивный момент M1 , Н м | — 55 593,2 | 1983,1 | 51 627,2 | 105 237,3 | 158 847,5 | |
Угол поворота рельсов ?в, рад | ||||||
Продольное усилие растяжения Рпр, Н | ||||||
Дополнительный изгибающий моментМда, Н м | 4316,4 | 18 442,8 | 42 379,2 | 76 125,6 | ||
Дополнительный изгибающий момент Мдб, Н м | 4316,4 | 18 442,8 | 42 379,2 | 76 125,6 | ||
Дополнительное усилие подъема Рдоп, Н | 1144,7 | 4890,9 | 11 238,7 | 31 738,9 | ||
Суммарное усилие вывешивания Рсум, Н | 169 521,5 | 196 844,6 | 226 769,2 | 259 295,4 | 294 423,1 | |
Вывод: из расчетов, приведенных в таблице 1, видно, что при базе платформы 19 950 мм, подъемно-рихтовочное устройство сможет произвести вывешивание решетки на величину меньше 200 мм при максимальном усилии на штоках гидроцилиндров вывешивания — 250 кН.
2.2.1.2 Расчетный случай № 2
Исходные данные: длина защемленного рельса в пролете стенда L: 15,41 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой передней тележки ар: 9,05 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой задней тележки bp: 6,36 м; величины вывешивания путевой решетки Hвыв, м: 0,01; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2, 0,25.
Расчетная схема изображена на рисунке 12. Расчет усилий вывешивания рельсошпальной решетки сведен в таблицу 2.
Расчет усилий вывешивания Рсум произведен по формулам (1) — (11) и сведен в таблицу 2.
Рисунок 12 — Расчетная схема № 2 к определению усилия вывешивания РШР Рисунок-12. Расчётная схема № 3.для определения усилий вывешивания Таблица 2 — Усилия вывешивания РШР при величине L=15,41 м
Величина вывешивания решетки Hвыв, м | 0,01 | 0,05 | 0,1 | 0,15 | 0,2 | 0,25 | |
Погонное сопротивление подъему q, Н/м | 15 998,1 | 15 990,2 | 15 980,4 | 15 970,6 | 15 960,8 | ||
Основное усилие подъема решетки Р, Н | 135 554,8 | 169 155,5 | 211 156,4 | 253 157,3 | 295 158,2 | ||
Реактивное усилие R1 , Н | — 49 391,5 | — 31 019,8 | — 187 385,3 | 14 909,7 | 37 874,5 | 60 839,2 | |
Реактивное усилие R2 , Н | — 135 580 | — 170 542,3 | — 217 081,6 | 266 772,7 | 319 615,5 | 375 609,9 | |
Граничный реактивный момент M1 , Н м | — 36 238,3 | 33 407,9 | — 20 202,2 | 207 523,6 | 294 581,4 | 381 639,3 | |
Угол поворота рельсов ?в, рад | — 0,019 | — 0,028 | — 0,673 | — 0,048 | — 0,059 | — 0,069 | |
Продольное усилие растяжения Рпр, Н | |||||||
Дополнительный изгибающий момент Мда, Н м | 1446,9 | 25 838,2 | 1 058 199,9 | 165 722,5 | 277 911,2 | 418 240,9 | |
Дополнительный изгибающий момент Мдб, Н м | — 883,2 | — 10 808,3 | — 712 259,4 | — 44 301,8 | — 65 681,8 | — 90 133,9 | |
Дополнительное усилие подъема Рдоп, Н | 25,2 | 1386,8 | 5925,3 | 13 615,4 | 24 457,3 | 38 450,9 | |
Суммарное усилие вывешивания Рсум, Н | 170 542,3 | 217 081,6 | 266 772,7 | 319 615,5 | 375 609,9 | ||
Вывод: из расчетов, приведенных в таблице 2, видно, что при базе платформы 17 260 мм, подъемно-рихтовочное устройство сможет произвести вывешивание решетки на величину меньше 150 мм при максимальном усилии на штоках гидроцилиндров вывешивания — 250 кН.
2.2.1.3 Расчетный случай № 3
Исходные данные: длина защемленного рельса в пролете стенда L: 12,72 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой передней тележки ар: 9,05 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой задней тележки bp: 3,67 м; величины вывешивания путевой решетки Hвыв, м: 0,01; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2, 0,25.
Расчетная схема изображена на рисунке 13. Расчет усилий вывешивания рельсошпальной решетки Рсум произведен по формулам (1) — (11) и сведен в таблицу 3.
Рисунок 13 — Расчетная схема № 3 к определению усилия вывешивания РШР
Таблица 3 — Усилия вывешивания РШР при величине L=12,72 м
Величина вывешивания решетки Hвыв, м | 0,01 | 0,05 | 0,1 | 0,15 | 0,2 | 0,25 | |
Погонное сопротивление подъему q, Н/м | 15 990,2 | 15 980,4 | 15 970,6 | 15 960,8 | |||
Основное усилие подъема решетки Р, Н | 247 019,8 | 370 109,5 | 493 199,2 | 616 288,9 | 739 378,6 | ||
Реактивное усилие R1 , Н | — 73 520,2 | — 60 547,1 | — 44 330,8 | — 28 114,5 | — 11 898,2 | 4318,1 | |
Реактивное усилие R2 , Н | 18 573,1 | 104 171,6 | 211 169,6 | 318 167,6 | 425 165,7 | 532 163,8 | |
Граничный реактивный момент M1 , Н м | — 109 026,4 | — 55 666,3 | 11 033,8 | 77 733,9 | 144 433,9 | 211 134,1 | |
Угол поворота рельсов ?в, рад | 0,003 | — 0,004 | — 0,008 | — 0,012 | — 0,016 | ||
Продольное усилие растяжения Рпр, Н | |||||||
Дополнительный изгибающий момент Мда, Н м | — 231,8 | 4298,7 | 25 168,2 | 63 042,3 | 117 920,7 | 189 802,8 | |
Дополнительный изгибающий момент Мдб, Н м | 172,5 | 4323,6 | 15 715,5 | 33 999,8 | 59 176,6 | 91 246,3 | |
Дополнительное усилие подъема Рдоп, Н | 25,661 | 1983,7 | 8475,8 | 19 476,3 | 34 985,2 | 55 002,5 | |
Суммарное усилие вывешивания Рсум, Н | 148 573,7 | 249 003,5 | 378 585,3 | 512 675,5 | 651 274,1 | 794 381,1 | |
Вывод: из расчетов, приведенных в таблице 3, видно, что при базе платформы 14 570 мм, подъемно-рихтовочное устройство сможет произвести вывешивание решетки на величину около 50 мм при максимальном усилии на штоках гидроцилиндров вывешивания — 250 кН.
2.2.2 Расчет усилий сдвига
2.2.2.1 Расчетный случай № 1
Исходные данные: длина защемленного рельса в пролете стенда L: 18,1 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой передней тележки ар: 9,05 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой задней тележки bp: 9,05 м; величины сдвига путевой решетки Sсдв, м: 0,01; 0,03; 0,06; 0,09; 0,12; 0,15.
Расчетная схема изображена на рисунке 14.
Рисунок 14 — Расчетная схема № 1 к определению усилия сдвига РШР Суммарное расчетное усилие сдвига путевой решетки Qсум, Н [10]:
(12)
где Q — расчетное усилие на сдвиг путевой решетки, Н [10]; Qдоп — дополнительное усилие сдвига путевой решетки в плане, Н.
(13)
где — опытный коэффициент учитывающий повышение поперечной жесткости путевой решетки, обусловленное скреплениями рельсов со шпалами, для железобетонных шпал и рельсов Р65, [10]; Е — модуль упругости рельсовой стали, [10]; - момент инерции поперечного сечения двух рельсов относительно вертикальной оси,
м4.
(14)
где кд — поправочный коэффициент, [10]; , — дополнительные изгибающие моменты, .
(15)
(16)
где — дополнительное продольное усилие растяжения, Н [10]; - угол поворота поперечного сечения рельса в горизонтальной плоскости, рад.
(17)
где F — площадь поперечного сечения одного рельса Р65, м2.
.
(18)
где — граничный реактивный момент, [10]; - граничное реактивное усилие, Н.
(19)
(20)
.
.
.
.
.
.
Н.
Расчет усилий сдвига путевой решетки по формулам (12) — (20) при других величинах Sсдв сведен в таблицу 4.
Таблица 4 — Усилия сдвига РШР при величине L=18,1 м
Величина сдвига решетки Sсдв, м | 0,03 | 0,06 | 0,09 | 0,12 | 0,15 | |
Расчетное усилие сдвига Q, H | 8880,9 | 17 761,9 | 26 642,9 | 35 523,9 | 44 404,9 | |
Продольное усилие растяжения Рпр, Н | 20 567,7 | 82 270,7 | 329 082,8 | 514 191,9 | ||
Граничное реактивное усилие R1 , Н | 4440,5 | 8880,9 | 13 321,5 | 17 761,9 | 22 202,5 | |
Граничный реактивный момент M1 , Н м | 20 093,2 | 40 186,4 | 6 027 964,568 | 80 372,8 | 100 466,1 | |
Угол поворота рельсов ?г, рад | ||||||
Дополнительный изгибающий момент Мда, Н м | 4936,2 | 16 659,8 | 39 489,9 | 77 128,8 | ||
Дополнительный изгибающий момент Мдб, Н м | 4936,2 | 16 659,8 | 39 489,9 | 77 128,8 | ||
Дополнительное усилие сдвига Qдоп, Н | 163,6 | 1309,1 | 4418,1 | 10 472,5 | 20 454,1 | |
Суммарное усилие сдвига Qсум, Н | 9044,6 | 45 996,4 | 64 858,9 | |||
Вывод: из расчетов, приведенных в таблице 4, видно, что при базе платформы 19 950 мм, подъемно-рихтовочное устройство сможет произвести сдвиг решетки на величину 150 мм при максимальном усилии на штоках гидроцилиндров вывешивания — 170 кН.
2.2.2.2 Расчетный случай № 2
Исходные данные: длина защемленного рельса в пролете стенда L: 15,41 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой передней тележки ПРУ ар: 9,05 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой задней тележки bp: 6,36 м; величины сдвига путевой решетки Sсдв, м: 0,01; 0,03; 0,06; 0,09; 0,12; 0,15.
Рисунок 15 — Расчетная схема № 2 к определению усилия сдвига РШР Расчетная схема изображена на рисунке 15. Расчет усилий сдвига рельсошпальной решетки по формулам (11) — (19) при других величинах Sсдв и сведен в таблицу 5.
Таблица 5 — Усилия сдвига РШР при величине L=15,41 м
Величина сдвига решетки Sсдв, м | 0,01 | 0,03 | 0,06 | 0,09 | 0,12 | 0,15 | |
Расчетное усилие сдвига Q, H | 5263,6 | 15 790,9 | 31 581,8 | 47 372,8 | 63 163,7 | 78 954,6 | |
Продольное усилие растяжения Рпр, Н | 3152,7 | 28 375,1 | 113 500,3 | 255 375,8 | 454 001,4 | 709 377,1 | |
Граничное реактивное усилие R1 , Н | 1949,7 | 5849,1 | 9008,4 | 17 547,3 | 1949,7 | 1949,7 | |
Граничный реактивный момент M1 , Н м | 8114,2 | 24 342,5 | 40 570,8 | 73 027,5 | 32 672,5 | 39 370,3 | |
Угол поворота рельсов ?г, рад | — 0,003 | — 0,008 | — 0,001 | — 0,025 | 0,092 | 0,118 | |
Дополнительный изгибающиймомент Мда, Н м | 109,5 | 2957,5 | 4167,1 | 79 846,8 | — 323 285,4 | — 648 927,5 | |
Дополнительный изгибающий момент Мдб, Н м | — 23,29 | — 628,9 | 6274,4 | — 16 977,3 | 319 959,6 | ||
Дополнительное усилие сдвига Qдоп, Н | 10,1 | 273,5 | 1736,4 | 7384,1 | 17 503,2 | 34 185,9 | |
Суммарное усилие сдвига Qсум, Н | 5273,8 | 16 064,4 | 33 318,2 | 54 756,9 | 80 666,9 | 113 140,5 | |
Вывод: из расчетов, приведенных в таблице 3, видно, что при базе платформы 17 260 мм, подъемно-рихтовочное устройство сможет произвести вывешивание решетки на величину 150 мм при максимальном усилии на штоках гидроцилиндров вывешивания — 170 кН.
2.2.2.3 Расчетный случай № 3
Исходные данные: длина защемленного рельса в пролете стенда L: 12,72 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой передней тележки ПРУ ар: 9,05 м; расстояние от оси ПРУ до ближайшей точки защемления рельса колесной парой задней тележки bp: 3,67 м; величины сдвига путевой решетки Sсдв, м: 0,01; 0,03; 0,06; 0,09; 0,12; 0,15.
Рисунок 16 — Расчетная схема № 4 к определению усилия сдвига РШР Расчет усилий сдвига путевой решетки по формулам (11) — (19) при других величинах Sсдв сведен в таблицу 6.
Таблица 6 — Усилия сдвига РШР при величине L=12,72 м
Величина сдвига решетки Sсдв, м | 0,01 | 0,03 | 0,06 | 0,09 | 0,12 | 0,15 | |
Расчетное усилие сдвига Q, H | 15 406,8 | 46 220,4 | 92 440,9 | 138 661,3 | 184 881,7 | 231 102,1 | |
Продольное усилие растяжения Рпр, Н | 4627,3 | 41 645,5 | 166 582,1 | 374 809,6 | 666 328,2 | 1 041 137,9 | |
Граничное реактивное усилие R1 , Н | 3107,5 | 9322,6 | 18 645,2 | 27 967,8 | 37 290,4 | ||
Граничный реактивный момент M1 , Н м | 11 606,9 | 34 820,9 | 69 641,8 | 104 462,8 | 139 283,8 | 174 104,7 | |
Угол поворота рельсов ?г, рад | — 0,009 | — 0,028 | — 0,057 | — 0,085 | — 0,114 | — 0,142 | |
Дополнительный изгибающиймомент Мда, Н м | 443,1 | 11 962,2 | 95 662,7 | 322 666,9 | 764 194,3 | ||
Дополнительный изгибающий момент Мдб, Н м | — 114,6 | — 3094,9 | — 24 745,5 | — 83 437,1 | — 197 514,8 | — 385 113,9 | |
Дополнительное усилие сдвига Qдоп, Н | 21,3 | 574,2 | 4593,4 | 15 502,7 | 36 747,1 | 71 771,7 | |
Суммарное усилие сдвига Qсум, Н | 15 428,1 | 46 794,6 | 97 034,3 | 154 163,9 | 221 628,8 | 302 873,9 | |
Вывод: из расчетов, приведенных в таблице 6, видно, что при базе платформы 14 570 мм, подъемно-рихтовочное устройство сможет произвести сдвиг решетки на величину между 90 и 120 мм при максимальном усилии на штоках гидроцилиндров вывешивания — 170 кН.
2.3 Конструирование элементов стенда
2.3.1 Прочностной расчет боковых и хребтовых балок рамы стенда
Исходные данные: материал: сталь 09Г2; тип сечения: двутавр № 60; усилие вывешивания решетки Рвыв: 150 кН; усилие сдвига Qсдв: 170 кН.
Цель расчета: проверка несущей способности боковых и хребтовых балок.
Рисунок 17 — Расчетная схема для базы стенда 19 950 мм Рисунок 18 — Расчетная схема для базы стенда 17 260 мм Рисунок 19 — Расчетная схема для базы стенда 14 570 мм
h — высота сечения, м; h1 — расстояние между полками, м; b — ширина сечения, м; tст — толщина стенки, м; tп — толщина полки, м; 1, 2, 3 — рассматриваемые в расчете точки Рисунок 20 — Сечение рамы
Металлоконструкция стенда была спроектирована и рассчитана в программе APM WinMachine. Результаты расчетов приведены в Приложениях, А и Б.
На металлоконструкцию действуют реакции от усилий вывешивания и сдвига рельсошпальной решетки, а также вес конструкции.
Вес металлоконструкции стенда Gп, Н:
(21)
где mмк — масса металлоконструкции, mмк = 10 600 кг; g — ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с2.
Н.
Расчет на прочность металлоконструкции стенда произведен по методу допускаемых напряжений.
Из Приложений, А и Б были выбраны наиболее нагруженные стержни, их расчет приведен ниже. Расчетные схемы приведены на рисунках 17 — 19.
2.3.1.1 Проверка прочности сечения стержня Rod57
Таблица 7 — Исходные данные для стержня Rod57
Продольное усилие N, Н | Поперечное усилие Qу, Н | Поперечное усилие Qx, Н | Момент кручения Т, Н м | Изгибающий момент Му, Н м | Изгибающий момент Мх, Н м | |
— 105 192,73 | — 9142,98 | — 24 310,09 | — 951,838 | 16 813,796 | 99 509,169 | |
Рисунок 21 — Геометрические характеристики сечения стержня Rod57
Условие прочности [5]:
(22)
где — эквивалентные напряжения, МПа [5]; - допускаемые напряжения, МПа.
(23)
где — суммарные нормальные напряжения, МПа [5]; - суммарные касательные напряжения, МПа.
(24)
где — предел текучести стали, =305 МПа [3]; n0 — коэффициент запаса прочности стали, n0=1,4.
МПа.
(25)
где, А — площадь сечения, м2; Iх — момент инерции относительно главной центральной оси х-х, м [5]; у — расстояние от главной центральной оси х-х до рассматриваемой точки, м [5]; Iу — момент инерции относительно главной центральной оси у-у, м4; х — расстояние от главной центральной оси у-у до рассматриваемой точки, м.
(26)
где b — ширина сечения, b=0,19 м [5]; tп — толщина полки, tп = 0,0178 м [5]; h1 — расстояние между полками, h1=0,264 м [5]; tст — толщина стенки, tcт=0,012 м.
м2.
(27)
где h — высота сечения, h=0,3 м.
м4.
(28)
м4.
(29)
где — касательные напряжения от действия поперечной силы Qy, МПа [5];
— касательные напряжения от действия поперечной силы Qх, МПа [5]; - касательные напряжения от действия момента кручения Мкр, МПа.
(30)
где — статический момент отсеченной части, м3 [5]; bx — ширина рассеченной части, м.
(31)
где Аотс — площадь отсеченной части сечения для рассматриваемой точки, м2 [5]; ус — расстояние от оси х-х до центра тяжести отсеченной части, м [5]; .
Схемы для определения статического момента приведены на рисунках 21 и 22.
Рисунок 22 — Схема к определению статического момента для точки 2
Рисунок 23 — Схема к определению статического момента для точки 3
(32)
где h — высота рассматриваемого сечения, м [5]; у — расстояние от главной центральной оси х-х до рассматриваемой точки, м.
Касательные напряжения, так как величина действующего момента кручения Мкр в рассматриваемых стержнях имеет весьма малое значение.
2.3.1.2 Расчет эквивалентных напряжения для точки 1
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0,15 м, x = 0,095 м:
МПа.
Статический момент по формуле (31) Sотс=0 при Аотс = 0.
Касательные напряжения по формуле (32) при tст=0,012 м, h=0,3 м, y=0,15 м:
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29) МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
2.3.1.3 Расчет эквивалентных напряжения для точки 2
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0,132 м, х=0,006 м:
МПа.
Площадь отсеченной части:
м2.
Статический момент по формуле (31) при ус=0,1411м:
м3.
Касательные напряжения по формуле (30) при м,
МПа.
Касательные напряжения по формуле (32) при tст=0,012 м, h=0,3 м, y=0,15 м:
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29):
МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
2.3.1.4 Расчет эквивалентных напряжения для точки 3
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0 м, х=0,006 м:
МПа.
Площади отсеченных частей:
м2; м2.
Статический момент по формуле (31) при ус 1=0,1411 м; ус 2=0,066 м:
м3.
Касательные напряжения по формуле (32) при м:
МПа.
Касательные напряжения по формуле (33) при tст=0,012 м, h=0,3 м, y=0:
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29):
МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
В результате расчетов, выяснилось, что самая нагруженная точка 1.
Проверка выполнения условия прочности (22):
.
Условие прочности соблюдается.
2.3.1.5 Расчет эквивалентных сечений
Опасные сечения, сходные по геометрическим параметрам с сечением стержня Rod57 рассчитаны по формулам (22) — (32).
Расчетные схемы для соответствующих значений базы платформы изображены на рисунках (17) — (19). Максимальные усилия в стержнях взяты из Приложения, А и приведены в таблице 8. Результат расчетов сведен в таблицу 9.
Таблица 8 — Максимальные нагрузки в стержнях
База платформы, мм | №стержня | Продольная силаN, Н | Поперечная силаQy, Н | Поперечная силаQх, Н | Момент кручения Т, Н | Изгибающий моментМу, Н м | Изгибающий моментМх, Н м | |
Rod 255 | — 165 042,34 | 145 698,02 | 43 840,19 | — 170,081 | 15 908,952 | 104 908,623 | ||
Rod 256 | 165 601,65 | — 122 180,82 | 42 870,2 | — 54,389 | 15 790,903 | 17 669,732 | ||
Rod 60 | 106 781,8 | 3998,43 | — 21 633,22 | — 350,903 | 16 476,509 | — 2350,193 | ||
Rod 7 | — 20 948,75 | 10 451,56 | 9440,72 | — 117,110 | 13 000,354 | — 36 412,762 | ||
Rod 19 | 4337,22 | 35 802,81 | 10 555,23 | — 116,439 | 14 248,421 | — 87 636,728 | ||
Rod 42 | — 4077,96 | 16 541,56 | 10 554,4 | — 115,248 | 14 247,396 | — 60 584,774 | ||
Rod 31 | 20 865,7 | — 11 253,67 | 9424,35 | — 106,613 | 12 373,128 | — 29 522,795 | ||
Rod 8 | — 27 803,68 | 23 481,7 | 12 457,97 | — 104,609 | — 16 968,97 | — 59 521,467 | ||
Rod 20 | 9653,56 | 34 670,43 | 13 612,46 | — 113,933 | 18 418,393 | — 81 600,983 | ||
Rod 43 | — 9180,53 | 15 523,11 | 13 611,44 | — 115,655 | 18 417,137 | — 55 092,658 | ||
Rod 32 | 27 594,71 | — 5211,29 | 12 439,18 | — 114,529 | 16 516,358 | — 20 730,946 | ||
Rod 153 | — 32 552,78 | 39 017,92 | 14 042,31 | — 107,930 | 16 850,350 | — 68 720,585 | ||
Rod 151 | 26 433,39 | 35 250,03 | 22 106,31 | — 122,770 | 21 796,373 | — 76 632,068 | ||
Rod 149 | — 25 997,98 | 25 128,07 | 22 096,52 | — 121,130 | 21 790,087 | — 55 007,484 | ||
Rod 147 | 32 351,75 | — 1518,03 | 14 030,34 | — 113,574 | 9085,604 | — 10 073,357 | ||
Таблица 9 — Результаты расчетов
№ стержня | Рассматриваемая точка сечения | Суммарные нормальные напряжения | Касательные напряжения | Касательные напряжения | Суммарные касательные напряжения | Эквивалентные напряжения | |
Rod 255 | 191,7 | 1,91 | 1,91 | 191,8 | |||
110,8 | 37,5 | 2,14 | 39,6 | 39,6 | |||
21,2 | 45,7 | 3,83 | 49,5 | 88,4 | |||
Условие прочности выполняется: 191,7 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 256 | 106,6 | 1,87 | 1,87 | 106,7 | |||
36,4 | 31,4 | 2,09 | 33,5 | 68,5 | |||
21,3 | 38,3 | 3,74 | 42,1 | 75,9 | |||
Условие прочности выполняется: 106,6 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 60 | 88,9 | 0,944 | 0,944 | 88,9 | |||
17,6 | 0,771 | 1,056 | 1,83 | 17,8 | |||
15,6 | 0,94 | 1,89 | 2,83 | 16,3 | |||
Условие прочности выполняется: 88,9 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 7 | 94,5 | 0,412 | 0,412 | 94,6 | |||
36,8 | 2,69 | 0,461 | 3,15 | 37,2 | |||
5,72 | 3,28 | 0,824 | 4,1 | 9,11 | |||
Условие прочности выполняется: 94,5 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 19 | 151,2 | 0,488 | 0,488 | 151,2 | |||
79,4 | 9,2 | 0,515 | 9,73 | 81,2 | |||
4,84 | 10,3 | 0,975 | 11,3 | 20,1 | |||
Условие прочности выполняется: 151,2 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 42 | 124,9 | 0,461 | 0,461 | 124,9 | |||
56,3 | 4,3 | 0,515 | 4,77 | 56,9 | |||
4,85 | 6,27 | 0,975 | 7,24 | 13,5 | |||
Условие прочности выполняется: 124,9 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 31 | 87,7 | 0,436 | 0,436 | 87,7 | |||
28,1 | 1,94 | 0,488 | 2,42 | 28,4 | |||
6,04 | 2,36 | 0,872 | 3,23 | 8,24 | |||
Условие прочности выполняется: 87,7 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod8 | 137,9 | 0,61 | 0,61 | 137,9 | |||
50,6 | 4,61 | 0,678 | 5,29 | 51,4 | |||
8,61 | 5,62 | 1,21 | 6,83 | 14,6 | |||
Условие прочности выполняется: 137,9 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod20 | 167,9 | 0,664 | 0,664 | 0,664 | 167,9 | ||
70,5 | 8,01 | 0,743 | 8,75 | 72,1 | |||
6,99 | 9,76 | 1,33 | 11,1 | 20,4 | |||
Условие прочности выполняется: 167,9 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod43 | 150,8 | 0,664 | 0,664 | 150,8 | |||
55,4 | 4,72 | 0,743 | 5,47 | 56,2 | |||
6,99 | 5,76 | 1,33 | 7,09 | 14,1 | |||
Условие прочности выполняется: 150,8 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod32 | 104,9 | 0,61 | 0,61 | 104,9 | |||
23,4 | 0,343 | 0,677 | 1,02 | 23,5 | |||
8,46 | 0,418 | 1,21 | 1,63 | 8,91 | |||
Условие прочности выполняется: 104,9 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod153 | 160,7 | 0,869 | 0,869 | 160,7 | |||
63,3 | 8,9 | 0,972 | 9,87 | 65,6 | |||
10,9 | 1,74 | 12,6 | 23,9 | ||||
Условие прочности выполняется: 160,7 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod151 | 189,6 | 1,073 | 1,073 | 189,6 | |||
77,2 | 9,68 | 1,2 | 10,9 | 79,5 | |||
10,9 | 11,8 | 2,15 | 13,9 | 26,5 | |||
Условие прочности выполняется: 189,6 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod149 | 175,4 | 1,07 | 1,07 | 175,4 | |||
64,7 | 7,32 | 1,2 | 8,52 | 66,4 | |||
10,9 | 8,92 | 2,15 | 11,7 | 22,1 | |||
Условие прочности выполняется: 121,2 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod147 | 121,2 | 0,869 | 0,869 | 121,2 | |||
28,6 | 1,95 | 0,972 | 2,92 | ||||
9,99 | 2,38 | 1,74 | 4,11 | 12,3 | |||
Вывод: расчеты показывают, что прочность боковых и хребтовых балок рамы в рассматриваемых сечениях достаточна.
2.3.1.6 Проверка прочности сечения стержня Rod211
Таблица 10 — Максимальные усилия в стержне Rod211
Продольное усилие N, Н | Поперечное усилие Qу, Н | Поперечное усилие Qx, Н | Момент кручения Т, Н м | Изгибающий момент Му, Н м | Изгибающий момент Мх, Н м | |
145 325,8 | — 74 261,9 | — 27 000,75 | 31,4 | 15 506,135 | 303 142,386 | |
Рисунок 24 — Геометрические характеристики сечения стержня Rod211
Рисунок 25 — Схема к определению статического момента для точки 2
Рисунок 26 — Схема к определению статического момента для точки 3
Площадь сечения по формуле (26):
м2.
Момент инерции относительно главной центральной оси х-х по формуле (27):
м4.
Момент инерции относительно главной центральной оси у-у по формуле (28):
м4.
2.3.1.7 Расчет эквивалентных напряжения для точки 1
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0,3 м, x=0,095 м:
МПа.
Статический момент по формуле (31) Sотс=0 при Аотс = 0.
Касательные напряжения по формуле (32) при tст=0,012 м, h=0,6 м, y=0,3 м:
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29) МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
2.3.1.8 Расчет эквивалентных напряжения для точки 2
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0,282 м, х = 0,006 м:
МПа.
Площадь отсеченной части:
м2.
Статический момент по формуле (31) при ус=0,291м:
м3.
Касательные напряжения по формуле (30) при м:
МПа.
Касательные напряжения по формуле (32) при tст=0,012 м, h=0,6 м, y=0,282 м:
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29):
МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
2.3.1.9 Расчет эквивалентных напряжения для точки 3
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0 м, х=0,006 м:
МПа.
Площади отсеченных частей:
м2; м2.
Статический момент по формуле (31) при ус 1=0,291 м; ус 2=0,141 м:
м3.
Касательные напряжения по формуле (30) при м:
МПа.
Касательные напряжения по формуле (32) при tст=0,012 м, h=0,6 м, y=0:
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29):
МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
В результате расчетов, выяснилось, что самая нагруженная точка 1.
Проверка выполнения условия прочности (22):
.
Условие прочности соблюдается, т.к. в металлоконструкции машин допускается превышение допускаемых напряжений на 5%. В данном случае превышение напряжений составляет 2,6 МПа, что составляет 1,19%.
2.3.1.10 Проверка прочности эквивалентных сечений
Максимальные усилия в рассматриваемых стержнях взяты из Приложения, А и сведены в таблице 11
Таблица 11 — Максимальные усилия в стержнях
База платформы, мм | № стержня | Продольная сила N, Н | Поперечная сила Qy, Н | Поперечная сила Qх, Н | Момент кручения Т, Н | Изгибающий момент Му, Н м | Изгибающий момент Мх, Н м | |
Rod 209 | 262 671,56 | — 43 378,06 | — 38 010,15 | 31,687 | 25 246,176 | — 235 392,396 | ||
Rod 207 | — 263 328,77 | — 33 375,21 | — 38 011,61 | 32,330 | 25 247,478 | — 152 626,651 | ||
Rod 205 | — 144 492,37 | — 5294,56 | — 27 002,8 | 34,074 | 12 844,988 | — 34 289,368 | ||
Опасные сечения, сходные по геометрическим параметрам с сечением стержня Rod211 рассчитаны по формулам (21) — (31). Максимальные усилия в стержнях приведены в таблице 11. Результат расчетов сведен в таблицу 12.
Таблица 12 — Результат расчетов
№ стержня | Рассматриваемая точка сечения | Суммарные нормальные напряжения | Касательные напряжения | Касательные напряжения | Суммарные касательные напряжения | Эквивалентные напряжения | |
Rod 209 | 210,6 | 3,31 | 3,31 | 210,6 | |||
97,3 | 4,69 | 3,51 | 8,19 | 98,3 | |||
26,7 | 6,96 | 6,62 | 13,6 | 35,6 | |||
Условие прочности выполняется: 210,6 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 207 | 195,9 | 3,31 | 3,31 | 195,9 | |||
83,5 | 3,61 | 3,51 | 7,12 | 84,4 | |||
26,8 | 5,36 | 6,62 | 11,9 | 33,9 | |||
Условие прочности выполняется: 195,9 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Rod 205 | 93,4 | 2,34 | 2,34 | 93,4 | |||
25,9 | 0,572 | 2,49 | 3,064 | 26,4 | |||
13,5 | 0,849 | 4,71 | 5,56 | 17,9 | |||
Условие прочности выполняется: 93,4 МПа < 217,9 МПа | |||||||
Вывод: расчеты показывают что прочность боковых и хребтовых балок рамы в рассматриваемых сечениях достаточна.
2.3.2 Прочностной расчет поперечных балок рамы стенда
Исходные данные: материал: сталь 09Г2; тип сечения: квадратная труба 150×8; усилие вывешивания решетки Рвыв: 150 кН; усилие сдвига Qсдв: 170 кН.
h — высота сечения, м; t — толщина стенки, м; 1, 2 — рассматриваемые в расчете точки.
Рисунок 27 — Сечение поперечной балки
2.3.2.1 Проверка прочности сечения стержня Rod177
Таблица 13 — Исходные данные для стержня Rod177
Продольное усилие N, Н | Поперечное усилие Qу, Н | Поперечное усилие Qx, Н | Момент кручения Т, Н м | Изгибающий момент Му, Н м | Изгибающий момент Мх, Н м | |
826,28 | — 112 090,98 | — 103 401,97 | 2496,069 | 19 179,242 | 24 469,752 | |
Рисунок 28 — Геометрические характеристики сечения
Площадь сечения А, м2:
(33)
где h — высота сечения, h=0,15 м; t — толщина стенки, t=0,008 м.
м2.
Моменты инерции относительно главных центральных осей Iх и Iу м4:
(34)
м4.
2.3.2.2 Расчет эквивалентных напряжения для точки 1
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0,075 м, x = 0,075 м:
МПа.
Касательные напряжения, МПа:
(35)
где b — расстояние между стенками, b=0,142 м; y — расстояние от горизонтальной оси х-х до рассматриваемой точки, y=0,075 м.
МПа.
Касательные напряжения рассчитаны по формуле (30) при bx=2t=0,016 м:
.
Касательные напряжения, МПа:
(36)
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29):
МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
2.3.2.3 Расчет эквивалентных напряжения для точки 2
Суммарные нормальные напряжения по формуле (25) при y=0 м, х=0,075 м:
МПа.
Рисунок 29 — Схема к определению статического момента Площади отсеченных частей:
м2.
м2.
Статический момент по формуле (31) при ус1=0,071 м, ус2=0,034м:
м3.
м3.
м3.
Касательные напряжения по формуле (30) при м:
МПа.
Касательные напряжения по формуле (35) при b=0,142 м, y=0:
.
Касательные напряжения по формуле (36):
МПа.
Суммарные касательные напряжения по формуле (29):
МПа.
Эквивалентные напряжения по формуле (23):
МПа.
В результате расчетов, выяснилось, что самая нагруженная точка 1.
Проверка выполнения условия прочности (22):
226,4 МПа > 217,9 МПа.
Условие прочности соблюдается, т.к. в металлоконструкции машин допускается превышение допускаемых напряжений на 5%. В данном случае напряжения превышают на 8,5 МПа, что составляет 3,9%.
2.3.2.4 Проверка прочности эквивалентных сечений
Таблица 14 — Максимальные нагрузки в стержнях
№ стержня | Продольная сила N, Н | Поперечная сила Qy, Н | Поперечная сила Qх, Н | Момент кручения Т, Н | Изгибающий момент Му, Н м | Изгибающий момент Мх, Н м | |
Rod 176 | 35 713,19 | — 22 335,33 | — 12 042,44 | — 221,439 | 6840,504 | 24 568,793 | |
Rod 175 | — 32 973,87 | 15 231,19 | — 12 112,64 | 587,806 | 6822,876 | — 16 998,083 | |
Rod 139 | 3547,89 | — 12 559,52 | 23 660,26 | — 998 344,29 | 13 197,838 | 14 201,142 | |
Rod 140 | 238,56 | — 57 257,1 | 82 663,57 | — 5509,96 | 15 318,196 | 14 154,841 | |
Rod 138 | — 2757,7 | 6184,6 | 23 786,9 | — 1668,535 | 13 240,038 | — 7039,849 | |
Опасные сечения, сходные по геометрическим параметрам с сечением стержня Rod177 рассчитаны по формулам (22) — (32). Максимальные усилия в стержнях взяты из приложения, А и приведены в таблице 14. Результат расчетов сведен в таблицу 15.
Таблица 15 — Результаты расчетов
№ стержня | Рассматриваемая точка сечения | Суммарные нормальные напряжения | Касательные напряжения | Касательные напряжения | Касательные напряжения | Суммарные касательные напряжения | Эквивалентные напряжения | |
Rod 176 | 161,6 | 4,19 | 0,617 | 4,802 | 161,9 | |||
41,4 | 11,1 | 0,617 | 11,7 | 46,01 | ||||
Условие прочности выполняется: 161,6 МПа < 217,9 МПа | ||||||||
Rod 175 | 123,9 | 4,21 | 1,64 | 5,85 | 124,3 | |||
40,7 | 7,56 | 1,64 | 9,19 | 43,7 | ||||
Условие прочности выполняется: 123,9 МПа < 217,9 МПа | ||||||||
Rod 139 | 134,9 | 8,22 | 2,78 | 11,01 | 136,3 | |||
65,4 | 6,23 | 2,78 | 9,01 | 67,2 | ||||
Условие прочности выполняется: 134,9 МПа < 217,9 МПа | ||||||||
Rod 140 | 144,4 | 28,7 | 15,4 | 44,1 | 163,3 | |||
75,1 | 28,4 | 15,4 | 43,8 | 106,7 | ||||
Условие прочности выполняется: 99,9 МПа < 217,9 МПа | ||||||||
Rod 138 | 99,9 | 8,27 | 4,65 | 12,9 | 102,4 | |||
65,4 | 3,069 | 4,65 | 7,72 | 66,8 | ||||
Вывод: расчеты показывают что прочность боковых и хребтовых балок рамы в рассматриваемых сечениях достаточна.
2.3.3 Проверка жесткости боковых и хребтовых балок рамы стенда
Исходные данные: номера стержней в месте максимального прогиба и их узлов, а также величина максимального перемещения в пролете взяты из Приложения В и приведены в таблице 16.
Таблица 16 — Исходные данные
№ стержня | № узла | Расстояние L, мм | Перемещение f, мм | |
Rod57 | ||||
Rod 255 | 24,2 | |||
Rod 256 | 18,6 | |||
Rod 60 | 3,71 | |||
Rod 57 | 27,5 | |||
Rod 255 | 17,5 | |||
Rod 256 | 12,9 | |||
Rod 60 | 0,727 | |||
Rod 57 | 16,5 | |||
Rod 255 | 9,95 | |||
Rod 256 | 6,34 | |||
Rod 60 | 1,98 | |||
Цель расчета: проверка жесткости рамы стенда.
Условие расчета: в APM WinMachine установлено, что на раму стенда воздействуют самые неблагоприятные нагрузки при вывешивании путевой решетки на 20 мм и сдвиг на 150 мм. Усилие вывешивание 150 кН, усилие сдвига 170 кН.
Рисунок 30 — Расчетная схема Проверка жесткости заключается в сравнении допустимого прогиба с относительным расчетным прогибом.
Условие жесткости:
(37)
где f — максимальный прогиб, м; L — расстояние между заделками балки, м; - относительный прогиб; - допускаемый прогиб, 0,005.
Результаты расчетов приведены в таблице 17.
Таблица 17 — Результаты расчетов
№ стержня | Расстояние L, мм | Перемещение f, мм | |||
Rod57 | 0,0022 | 0,0022 < 0,002 | |||
Rod 255 | 24,2 | 0,0014 | 0,0014 < 0,002 | ||
Rod 256 | 18,6 | 0,0011 | 0,0011 < 0,002 | ||
Rod 60 | 3,71 | 0,0002 | 0,0002 < 0,002 | ||
Rod 57 | 27,5 | 0,0019 | 0,0019 < 0,002 | ||
Rod 255 | 17,5 | 0,0012 | 0,0012 < 0,002 | ||
Rod 256 | 12,9 | 0,0009 | 0,0009 < 0,002 | ||
Rod 60 | 0,727 | 0,5 | 0,5 < 0,002 | ||
Rod 57 | 16,5 | 0,0014 | 0,0014 < 0,002 | ||
Rod 255 | 9,95 | 0,0008 | 0,0008 < 0,002 | ||
Rod 256 | 6,34 | 0,0005 | 0,0005 < 0,002 | ||
Rod 60 | 1,98 | 0,0002 | 0,0002 < 0,002 | ||
Вывод: из таблицы 17 видно, что относительный прогиб меньше допускаемого, следовательно, жесткость балок рамы достаточна.
3 Порядок проведения работ на стенде
1. Провести инструктаж по технике безопасности со студентами под их личную роспись.
2. Перед началом работы, учитель обязан осмотреть и проверить техническое состояние узлов и деталей стенда и убедиться в их исправности.