Бекетов Т.С.

Алматы, Республика Казахстан

 

СИЛЫ,  ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ОПОРЫ РОЛИКОВОГО КОНВЕЙЕРА ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ И ПЕРЕТЯЖКЕ РЕЛЬСОВЫХ ЗВЕНЬЕВ

 

При движении сцепов по прямым участкам пути (см. рисунок 1,а) на опоры роликового конвейера действуют:

-        масса пакета звеньев;

-        вертикальные инерционные силы, вызываемые колебаниями платформ в вертикальной плоскости, действующие попеременно вверх и вниз;

-        поперечные горизонтальные силы, т.е. силы, действующие под углом 90° к направлению движения, возникающие вследствие ви­ляния, боковой качки и поперечного относа платформ;

-        сила ветра.

При движении оцепов по кривым участкам  (см. рисунок 1,б) на опоры роликового конвейера действуют:

-       масса пакета звеньев;

-       вертикальные инерционные силы, вызываемые колебаниями платформ в вертикальной плоскости;

-       поперечные горизонтальные силы, возникающие вследствие. виляния, боковой качки и поперечного относа платформ;

-       сила ветра;

-       поперечная центробежная сила, возникающая при прохожде­нии сцепов по кривым участкам пути;

-       поперечная горизонтальная сила, возникающая при изгибе звеньев в кривых участках пути.

При перетягивании пакетов звеньев вдоль платформ, располо­женных в кривых участках пути (см. рисунок 1,в), на опоры ролико­вого конвейера действуют:

-       масса пакета звеньев;

-       сила ветра;

-      поперечная горизонтальная сила, возникающая при изгибе звеньев.

Продольные горизонтальные силы, т.е. силы, действующие на рельсовые звенья по направлению движения сцепов, в данном слу­чае не учитываются вследствие того, что они нейтрализуются упо­рами и ограничительными цепями оборудования и на работоспособность опор роликового конвейера не влияют.

Исследования, выполненные в работах [1, 2] показывают, что наиболее частый отказ опор роликового конвейера происходит в результате выхода из строя подшипников опорных узлов. Нагрузка от действия вышеназванных сил передается на подшипники опорных узлов (см. рисунок 2) через головки рельсов нижнего перевернутого звена и двухребордчатые ролики. При определении этой нагрузки предположим, что:

-       она распределяется равномерно по всем опорам роликового конвейера, на которых уложен пакет звеньев;

-       нагрузка от действия горизонтальных сил воспринимается одним подшипником опорного узла роликового конвейера;

-       горизонтальные силы, возникающие при изгибе звеньев, на­правлены в пределах базы сцепа - наружу кривой, а за пределами базы сцепа - внутрь кривой.

-       Здесь под базой сцепа понимается расстояние между попереч­ными геометрическими осями платформ, равное 14,194 м [3].

-       Тогда при движении сцепа по прямому участку пути нагрузка, действующая на подшипники, определится из выражения

-        

-                ;                                                                                                (1)

-                ;                                                                                                (2)

-        

-       где  - нагрузка на подшипник опорного узла роликового конвейера от действия всех сил в вертикальной плоскости;     Nг1 - нагрузка на подшипник опорного узла роликового конвейера от действия всех сил в горизонтальной плоскости; FG - сила тяжести пакета звеньев; Fв -  вертикальная инерционная сила; FП  - поперечная горизонтальная сила, возникающая  вследствие виляния, боковой качки и поперечного относа платформ; FH - сила ветра; nр  - количество  опорных узлов конвейера, на которых уложен пакет звеньев.

 

а - при движении сцепа по прямому участку пути; б - при движении сцепа в кривых; в - при  перетягивании пакетов в кривых.

Рисунок 1 – Схема действия сил при перевозке и перетяжке рельсовых звеньев.

 

При движении сцепов по кривым участкам пути вертикальная нагрузка на подлинники опорных узлов роликового конвейера опре­делится по формуле

 

;                                                                                                             (3)

 

а горизонтальная будет состоять из сведущих сочетаний, указан­ных выше сил:

- на подшипниках опор, расположенных внутри базы сцепа

 

;                                                                                             (4)

 

;                                                                                         (5)

 

- на подшипниках опор, расположенных за пределами базы сцепа,

 

;                                                                                          (6)

 

;                                                                                         (7)

 

где  - нагрузка на подшипник опорного узла роликового конвейера от действия сил в вертикальной плоскости при движении сцепа по кривому участку пути;  - нагрузка на подшипник опорного узла роликового конвейера от действия сил в горизонтальной плоскости при движении сцепа по кривому участку пути;  - горизонтальная составляющая силы тяжести пакета;   - сила, действующая на опорный узел роликового кон­вейера при изгибе звена в горизонтальной плоскости;  - поперечная центробежная сила;  -угол перекоса рельсо-шпальной решетки в поперечном направлении в кривых участках.

 

 

1 - ролик; 2 - подшипниковый узел; 3 - подлинник; 4 - рама конвейера

Рисунок 2 – Опорные узлы роликового конвейера.

 

При перетягивании пакетов звеньев вдоль платформ сцепа нагрузка на подшипники опорных узлов роликового конвейера опре­делится по формулам

 

           

 

;                                                                                                           (8)

 

где  - нагрузка на подшипнике опорного узла роликового конвейера  от действия сил в вертикальной плоскости при перетягивании пакета вдоль платформ сцепа;  - то же в горизонтальной плоскости.

Вертикальные инерционные силы  возникают при колебани­ях галопирования, подпрыгивания и боковой качки платформ. При колебаниях подпрыгивания рамы платформ перемещаются попеременно вверх и вниз параллельно своему первоначальному положению. При галопировании обрессоренные части платформ отклоняются относи­тельно поперечной оси платформ на некоторый угол, а при боковой качке - относительно продольной.

Вертикальная инерционная сила при распределении центра тя­жести перевозимого груза в любом месте по длине 4-х осных плат­форм определится по формуле

 

= ;                                                                                                                       (9)

 

где   - коэффициент динамической добавки;  - масса пакета звеньев.

Коэффициент динамической добавки показывает какую величи­ну составляет по отношению к ускорению силы тяжести вертикальное ускорение, возникающее от колебаний платформ сцепа. Это ускоре­ние переменно по величине и знаку. В те моменты времени, когда оно направлено вверх, составляющая ему сила инерции, приложенная к звеньям, направлена вниз. Вследствие этого повышается нормаль­ное давление пакета звеньев на опоры роликового конвейера. В те моменты, когда ускорение имеет обратный знак, сила инерции направлена вверх. В этих случаях давление пакета на опоры умень­шается.

Величину коэффициента динамической добавки определяют по эмпирической формуле, рекомендованной профессором М.В. Винокуро­вым [4]

 

 ;                                                                                                             (10)

 

где - скорость движения сцепов; -статистический прогиб рессорного подвешивания от надрессоренного веса платформ с пакетом звеньев.

        

Для 4-х осных платформ и полувагонов грузоподъемностью 60 т   может быть приблизительно принята равной 0,248 мм/т.  Значения  приведены в таблица 1 приложения.

Поперечная горизонтальная сила FП, возникающая вследст­вие виляния, боковой качки и поперечного относа платформ, опре­делится по формуле

 

Fn=an-mn ,                                                                                                                        (11)

 

где  an - результирующая поперечного ускорения от указанных колебаний.

Удельная величина поперечной горизонтальной силы FП на одну тонну груза при движении оцепов со скоростью 60 км/ч, по данным [5] составляет:

-        при расположении центра тяжести перевозимого груза над серединой платформы  -  700 Н;

-        при расположении центра тяжести груза у концов платформы - 1500 Н,

Сила ветра, действующая на пакет звеньев, зависит от ско­ростного напора ветра, площади пакета, подверженной ветру, и ее состояния, которое учитывается аэродинамическим коэффициентом, В расчетах крепления грузов, перевозимых на железнодорожном под­вижном составе, от действия ветра удельная величина ветровой на­грузки принимается равной 360 Н/м2 [6]. Тогда сила ветра, действующая на пакет звеньев, определится по формуле

 

;                                                                                                           (12)

 

где  -  аэродинамический коэффициент; - площадь пакета, подверженная ветру.

Для пакетов, состоящих из семи звеньев, площадь, подвер­женная ветру (боковая), определится по формуле

 

 = ;                                                                                                    (13)

где     - количество шпал в пакете; -  площадь торца шпалы;  - длина рельсов;

- высота рельсов.

Горизонтальная и вертикальная составляющая от массы паке­та определятся по формулам

 

; .                                                                            (14)

 

Поперечная центробежная сила, возникающая при движении сцепов по кривым участкам, зависит от скорости движения и радиу­са кривой. Указанную силу определим по формуле

 

;                                                                                                                      (15)

 

где     - скорость движения оцепов; R - радиус кривой.

Горизонтальная сила, действующая на опорные узлы ролико­вого конвейера при изгибе звеньев в кривых участках, определит­ся по формулам

 

;                                                                                                           (16)

 

;                                                                                                 (17)

 

Первая формула справедлива при выполнении условия

 

 

 

В противном случае  определяется по формуле (17),

где    - количество звеньев в пакете;   - горизонтальная сила, возникающая при изгибе одного звена рельсошпальной решетки; - сила трения между соответствующими звеньями паке­та (первым считается верхнее звено).

При определении Fu33 примем, что сопротивление эвена изги­бу равномерно по всей длине искривленного участка, изгибающие звено силы приложены в середине и по концам звена. Влияние шпал и скреплений, будем учитывать коэффициентом жесткости, приведен­ным в таблице 1.

Таблица 1 – Коэффициент жесткости рельсовых звеньев

Тип шпал

Число шпал на I км

Тип рельсов

g кГ/м

Тип скреп­лений .

Коэффици­ент жест­кости Кж

Деревянные

 

 

Железобетонные С-56-у

2000

 

 

2000

Р50

Р65

Р75

 

Р50

Р65

Р75

280

317

337

 

613

640

660

КБ

Д

К-2

 

К-4

-

-

3,9

4,5

5,0

 

6,4

-

-

Приняв указанные допущения, горизонтальную силу, возникаю­щую при изгибе одного звена, определим по формуле, рекомендован­ной в работе [7]

 

;                                                                                                   (19)

 

где  - модуль упругости рельсовой стали; g -  масса одного м путевой решетки;  - удвоенный момент инерции рельсов относительно вер­тикальной оси;  - длина хорды, проведенной через крайние точки звена;  - стрела изгиба звена.

 

  ;                                                                             (20)

 

где       - угол между радиусами, образующими хорду.

Значения  и  для различного количества рельсовых звеньев пакета без учета вертикальных колебаний платформ приве­дены в таблица 2.

Для определения сил трения в условиях вертикальных колеба­ний платформ брался коэффициент трения, определенный по эмпири­ческим формулам, рекомендованным в работе [8] , для пары трения рельс по шпале (о первого по шестое звено)

 

                                                                                                (3.21)

 

 для пары трения шпала по шпале (между шестым и нижним перевернутым звеном)

 

                                                                                          (3.22)

 


где коэффициент трения в условиях вертикальных колеба­ний для пар трения головка рельсов по шпале и шпала по шпале соответственно;  – статический  коэффициент трения для тех же пар трения;  – частота  вертикальных колебаний;  – ускорение  вертикальных колебаний.

Таблица 2 – Значения  и  при изгибе звеньев в кривой Р 300м (кН)

Обозначе­ния

Количество    звеньев

1

2

3

4

5

6

7

76,0

18,59

28,12

152

37,18

56,24

228

55,77

84,36

304

74,36

112,48

380

92,96 . 140,60

458

111,54

168,72

532

130, 356,44

 

При движении оцепов в составе укладочного поезда вертикаль­ные колебания кузова платформ совершаются с различными частота­ми, так называемого, низкого и высокого тонов [6]. По данным работы [8] , при скорости движения сцепов 60 - 80 км/ч ускоре­ния вертикальных колебаний могут принимать следующие значения:

-       для колебаний низкого тона (1,6 - 15 Гц) - 0,6 - 3,5 м/с2;

-       для колебаний высокого тона (до 50 Гц) - 0,08 -1,1 м/с2.

Значения коэффициента трения скольжения (первого рода) для некоторых материалов приведены в таблице 3 [6].

Таблица 3 – Значение коэффициента трения скольжения

 

 

Пара  трения

Состояние поверхности

Значение коэффици­ента трения

в начале движения

во время движения

Металл по дереву (сосна, ель)

Сосновое дерево по сосновому дереву

Сталь по стаж

Сталь по стали

Чугун по чугуну

сухое

сухое

сухое

смазанное

сухое

0,60

0,58

0,15

0,13

0,15

0,40

0,45

0,15

0,13

0,15 – 0,21

Значения коэффициента трения при колебаниях платформ, оп­ределенные по формулам (21), (22), приведены в таблице 4, а значения сил трения между звеньями пакета, определенные с уче­том вертикальных колебаний, приведены в таблице 5.

Таблица 4 – Значения  вертикальных колебаниях платформ сцепа

aв  м/с2

 

Частота   колебаний, Гц

5

10

15

0,5

1

2

3

0,50

0,43

0,36

0,33

0,52

0.46

0,38

0,35

0,31

0,28

0,18

0,35

0,34

0,31

0,26

0,19

0,21

0,13

0,08

0,06

0,23

0,16

0,09

0,07

Анализ таблицы 5 показывает, что при небольших ускорени­ях и частотах вертикальных колебаний платформ сцепа, которые имеют место при движении с небольшими скоростями,  FТР  превыша­ет   Fизг. Учитывая наиболее неблагоприятный случай, будем счи­тать, что при движении сцепов по кривым участкам пути происходит изгиб всех звеньев пакета, т.е. при определении   Fuзг будем ис­пользовать формулу (16).

Таблица 5 – Значения сил трения между вертикальными звеньями пакета (кН)

 Гц

 

aв  м/с2

 

Номера  звеньев в пакете

7-6

6-5

5-4

4-3

3-2

2-1

5

0,5

I

2

3

243

211

174

160

190

163

144

133

152

131

109

100

114

98

82

75

76

65

55

50

38

33

27

25

10

0,5

I

2

3

156

142

119

87

118

106

99

57

94

85

55

45

71

64

41

33

47

42

27

23

23

21

14

II

15

0,5

I

2

3

105

69

41

32

80

46

30

23

64

37

24

18

48

27

18

14

32

18

12

9

16

9

6

4

Численное значение сил, действующих на опорные узлы роли­кового конвейера при изгибе звеньев пакета, горизонтальной составляющей силы тяжести пакета и центробежной силы, в зависимости от радиуса кривых при движении сцепов со скоростью 70 км/ч при­ведены в таблице 6, а нагрузка, приходящаяся на один подшипник опорных узлов, - в таблица 7.

Подставляя численные значения в формулы (1) и (2), определим, что при движении оцепов по прямым участкам со скоростью 70 км/ч максимальная вертикальная и горизонтальная наг­рузка на один опорный узел рожкового конвейера составит

    2,57 кН.

В опорных узлах роликового конвейера установлены радиаль­ные, шариковые однорядные подшипники  №409.  Допускаемая верти­кальная нагрузка на эти подшипники составляет 58 кН, а допускае­мая горизонтальная - не более 70 % от неиспользованном верти­кальной [9]. Учитывая, что вертикальная нагрузка равномерно воспринимается обоими подшипниками единичной опоры, а горизон­тальная только одним, определим, что при движении сцепов по прямым участкам пути  РГ  составит

Таблица 6 – Значение сил, действующих на опорные узлы роликового конвейера при движении сцепов со скоростью 70 км/ч, кН

Показа­тели

Радиус   кривой, М

 

 

300

400

500

600

700

800

900

1000

130

42

68

98

39

51

78

37

41

65

34

34

55

32

29

49

29

25

43

27

23

39

25

20

 

Таблица 7 – Нагрузка, приходящаяся на один подшипник опорных узлов роликового конвейера при движении сцепов со скоростью 70 км/ч, кН

 

 

Радиус   кривой, м

 

300

400

500

600

700

800

900

1000

7,32

7,35

7,42

7,45

7,48

7,51

7,54

7,57

Внутри

базы

сцепа

8,47

7.89

6,38

5,85

5,42

5,25

4,86

4,65

 

 

3,26

2,02

1,21

0,68

0,24

0,04

0,30

0,51

За пре­делами базы сцепа

4,58

2,59

1,41

0,65

0,10

0,24

0,53

0,74

 

 

9,74

7,76

6,58

5,84

5,26

4,93

4,64

4,43

 

6,10

6,12

6,17

6,19

6,22

6,25

6,28

6,31

4,89

6,47

5,41

4,70

4,15

3,78

3,44

3,17

 

=

 

а при движении по кривой радиусом 300 м

 

=

 

где   - допускаемая горизонтальная нагрузка на подшипники опорных узлов роликового конвейера при движении сцепов по прямым и кривым участкам пути; Pв   - допускаемая вертикальная нагрузка на подшипники.

Полученные данные свидетельствуют о том, что нагрузка, действующая на опорные узлы роликового конвейера, намного мень­ше допустимой. Возникает вопрос, почему же так часто подшипники опорных узлов выходят из строя? Для получения ответа на этот во­прос необходимо, очевидно, определить действие указанных выше сил не при равномерном распределении их на опорные узлы ролико­вого конвейера, как было принято, в приведенных расчетах, а при наиболее неблагоприятных условиях. Анализ работы оборудования для перевозки рельсовых звеньев и подачи их к укладочному крану показал, что при неблагоприятном сочетании обстоятельств, мини­мальное количество опорных узлов роликового конвейера, восприни­мающих горизонтальную нагрузку, может быть равно четырем: два внутри базы  сцепа и два за ее пределами.

При учете неравномерности распределения вертикальной наг­рузки удобно воспользоваться коэффициентом неравномерности, рав­ным 1,2  

Анализ полученных результатов показывает, что разрушение подшипников опорных узлов рожкового конвейера произойдет при следующем сочетании горизонтальных сил:

 

                                                                           (25)

 

- когда указанные силы распределяются на четыре или восемь опор

 

                       

 

                                                                          (26)

 

 

- когда эти силы распределяются только на четыре опоры,

Таблица  8 – Горизонтальная нагрузка на подшипники опорных узлов и роликового конвейера при движении оцепов по кривой R 300 м со скоростью 70 км/ч,     кН

 

 

 

Количество опорных узлов, воспринимающих нагрузку

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Внутри

базы

оцепа

84

33

42

16

28

11

21

8

17

6

14

4

12

4

10

4

9

3

8

3

За пре­делами базы сцепа

46

97

23

48

15

32

II

24

9

19

7

23

6

14

5

12

5

II

4

9

 

48

24

16

12

9

8

7

6

5

4

Зависимости горизонтальных сил, действующих на четыре опорных узла роликового конвейера (самый неблагоприятный случай) от радиуса кривых при движении сцепов со скоростью 70 км/ч представлены на рисунке 3.

Анализ приведенных зависимостей свидетельствует, что при распределении суммарной горизонтальной нагрузки на четыре опор­ных узла роликового конвейера, на подшипники опор действует сила (кривая 6), намного превышающая допустимую. Причем основное влияние оказывают горизонтальные силы от изгиба звеньев в кривых. Так, даже без учета всех остальных сил на участках о кривыми меньше 600 м.  Nr  превышает Ро . Вместе с тем существенное влия­ние оказывают поперечная горизонтальная сила FП вызванная вилянием, боковой качкой и поперечным относом платформ, а также поперечная центробежная сила. FП зависит от скорости движения сцепов, частоты и ускорения их колебания, вызванных неровностью пути, а также от массы перевозимого пакета звеньев и радиуса кривой. Следовательно, уменьшить фактическую нагрузку на подшипники опорных узлов роликового конвейера можно за счет:

-       снижения скорости движения сцепов по участку пути;

-       улучшения качественного состояния пути;

-       уменьшения количества звеньев, перевозимых в одном па­кете;

-       исключения или уменьшения изгиба звеньев при прохождении сцепов по кривым участкам пути.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Горизонтальные силы, действующие на четыре опорных узла конвейера при движении сцепов со скоростью 70 км/ч: 1 - сила ветра; 2 - поперечная сила, вызванная виля­нием, боковой качкой и поперечным относом платформ; 3 -центробежная сила; 4 - горизонтальная составляющая силы тяжести пакета; 5 - горизонтальная сила от изгиба пакета; 6 - суммарная горизонтальная сила; 7 - допускаемая гори­зонтальная сила на подшипники опорных узлов роликового конвейера.

 

Литература

 

1 Разработка и исследование эффективных средств снижения трудозатрат по постановке шпал по меткам при капитальном ремонте пути. Каракулев А.В., Цепенок В.И., Соколов В.Б. и др. – Отчет по НИР, ЛИИЖТ, Л, кафедра "СДМ и О", 1983. - 85 с.

2 Завгородний Г.В., Рачек Н.М., Соколов В.Б. Исследование сил, действующих на опоры роликового транспортера при перевозке пакетов звеньев. - Труды ХабИИЖТа,  вып. 49, Хабаровск, 1982, с. 48-53.

3 Ефимов Г.П. Перевозка негабаритных и тяжеловесных грузов. - М.: Траножелдориздат, 1961. - 259 с.

4 Винокуров М.В. Вагоны. - М.: Трансжелдориздат, 1953.

5 Ефимов Г .П. Крепление груза на открытом подвижном составе. - Труды ВНИИЖТа, вып. 71. М.: Трансжелдориздат, 1952. -135 с.

6 Малов А.Д. Крепление грузов на открытом подвижном составе для перевозки при высоких скоростях движения. - Труды ВНИИЖТа, вып. 294, М.: Транспорт, 1965. - 164 с.

7 Соломонов С.А., Попович М.В., Стефанов Б.Н. Путевые машины. - М.: Транспорт, 1977, - 392 с.

8 Зубарев В.В. Перевозка длинномерных грузов на оцепах вагонов. - Труды ВНИИЖГа, выл. 369, М.: Транспорт, 1968. - 159 с.

9 Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя М.: Машиностроение, 1982, т. 2. - 584 с.