Модернизация пневмоочистительной машины ПОМ-4

На железной дороге в ее современном виде организация работ поставлена на высокий уровень, но есть сферы (такие как стихийные явления, аварийные ситуации и т.д.) спрогнозировать которые очень сложно, но предусмотреть возможности наибыстрейшего разрешения необходимо.

В нашей климатической зоне одной из актуальнейших проблем железной дороги всегда являлись снегопады, приводящие к задержке, а иногда и к полной остановке движения поездов. Целью этого проекта является улучшение положения как раз в этом направлении. Кроме того целью проекта является уменьшение финансовых затрат на уборку снега.

1. Аналитический обзор

В практике зимней очистки железных и автомобильных дорог нашли широкое применение технические средства, основанные на механическом взаимодействии рабочих органов со снегом и льдом. Это машины с рабочими органами плужного (ножевого), роторного и щеточного типов.

В лабораториях различных стран исследуются такие нетрадиционные методы, как использование водяных струй (непрерывных и ударных), ультразвука, транспортно-очистительных средств на воздушной подушке, источников света высокой интенсивности и др. (1…4).

В настоящее время на уровень практического и достаточно широкого применения вышел метод выдувания снега с пути.

За последние двадцать лет создано большое количество различных машин данного класса, существенно облегчающих работу служб по уборке снега на станциях.

В 1986 году ВНИИЖТом на базе ПМГ был создан снегоочиститель МОС-1, представленный на рисунке 1.1. Эта машина с февраля 1986 года успешно эксплуатируется на Московско-Рижской дистанции пути Московской дороги.

Она представляет собой самоходный двухосный экипаж, на раме которого расположены силовая установка 5, состоящая из дизель-генератора АД-200 ТСП и кабины управления 6. На передней консоли рамы смонтированы рабочие органы, состоящие из двух вентиляторов высокого давления 3, подающих на путь холодный воздух по трубопроводам через воздухопроводящие сопла 1, и камера сгорания 4 с форсункой и системой подачи топлива и воздуха. Камера сгорания с расходом горючего 120-150 кг/ч, генерирует две мощные струи горячих газов. Этими струями снег и лед удаляется и труднодоступных мест стрелочных переводов. Горячие газы поступают по трубопроводам через газоподводящие сопла 2, размещенные позади воздухоподводящих. Для вписывания машины в транспортном положении в габарит подвижного состава каждый трубопровод выполнен из двух частей. Одна часть присоединена к вентилятору или к камере сгорания, а другая к соплам с возможностью поворота относительно оси. Для облегчения подъема патрубков с соплами на оси закреплены противовесы. Приводится машина в транспортное или рабочее положения электромеханическим приводом с цепной передачей.

При очистке пути в шпальных ящиках образуется талая вода. Для ее удаления под кабиной управления установлен третий вентилятор 7 с воздухоподводящими соплами 8. Мощность каждого вентилятора, установленного на машине – 45 кВт.

1, 8 – воздухоподводящие сопла; 2 – газоподводящее сопло; 3, 7 - вентиляторы; 4 – камера сгорания; 5 – силовая установка; 6 – кабина управления

Рисунок 1.1 – Машина для очистки стрелочных переводов от снега МОС-1

Приводится машина в движение двумя тяговыми двигателями ДК-116А постоянного тока, образующими два колесно-моторных блока. Рабочими органами управляют с пульта.

Машина работает следующим образом: при подходе к стрелочному переводу подвижные патрубки из транспортного положения приводятся в рабочее. Включаются вентиляторы и при необходимости – камера сгорания. Струи холодного воздуха сдувают со стрелочного перевода основную массу снега. В желобах может остаться увлажненный снег. Он удаляется струями горячих газов. Продолжительность очистки одного перевода 1-2 мин. Если высота снежного покрова 20 см над головкой рельса и более и плотность снега доходит до 0,2 г/см³, продолжительность очистки удваивается. Скорость движения машины в зависимости от толщины и плотности снега составляет от 0,5 до 2 м/мин. Особенно эффективна машина во время снегопадов и метелей (5).

Опытные дорожные ремонтно-механические мастерские службы пути Южно-Уральской дороги изготовили опытный образец снегоочистителя "Ветерок" ВС-1 (6). Испытания показали высокую эффективность его в работе. Снегоочиститель представлен на рисунке 1.2.

1 – привод вентилятора; 2 – вентилятор; 3 – плужный отражатель; 4 – сопло-диффузор; 5 – четырехосная платформа

Рисунок 1.2 – Вентиляторный снегоочиститель "Ветерок"

На четырехосной платформе 5 устанавливается вентилятор 2 (ВДН-17-1000 или ВДН-18-1000). К улитке вентилятора, выход которой направлен вертикально вниз, постоянно закреплен сопло-диффузор 4. Его выходное отверстие направлено под углом 45° к пути и развернуто в плане относительно продольной оси колеи на 25°. Сопло-диффузор соединен общим кожухом с отражателем плужным 3, рабочая плоскость которого установлена под углом 65° относительно продольной оси пути, что позволяет выбрасывать снег на обочину при помощи воздуха подаваемого с рабочего органа на высокой скорости и под высоким давлением. Привод вентилятора 1 смонтирован под капотом через упругую втулочно-пальцевую муфту от электродвигателя П 112 (180 кВт, 440 В, 1500 об/мин, с независимым возбуждением отрегулированным на 220-340 В) (3).

На Апатитской дистанции Октябрьской дороги в 1988 г. был изготовлен вентиляторный снегоочиститель "Тайфун-Д" (7), представленный на рисунке 1.3. В качестве привода вентилятора 1 (ДН-17Н) был принят автономный дизель 3 (1Д-12), всё это было установлено в четырехосном крытом вагоне. Привод от дизеля был осуществлен с помощью муфты сцепления от дрезины ДГК^у, карданный вал 2 был укорочен. Для очистки плотного и обледенелого снега на перегонах и станционных путях в голове "Тайфуна-Д" был установлен рыхлитель 5. Управление вентилятором осуществлялось из кабины 4. При небольшой собственной массе 28 т снегоочиститель передвигался любым локомотивом или дрезиной ДГК^у. "Тайфун-Д" с направленным соплом 6 применялся для очистки переводов от рыхлого снега, съездов и вставок между стрелочными переводами, закрестовинных кривых.

1 – вентилятор; 2 – укороченный карданный вал; 3 – дизель; 4 – кабина управления; 5 – рыхлитель; 6 – сопло.

Рисунок 1.3 – Снегоочиститель "Тайфун-Д"

Дзержинской дистанцией пути Горьковской дороги в 1988 г. был изготовлен вентиляторный снегоочиститель для очистки стрелочных переводов и станционных путей от снега, а летом – от засорителей (8). Он смонтирован на двухосной платформе УП-2 (рисунок 1.4) и оснащен двумя вентиляторами 1 (ВДН-11.1) с электродвигателями 2 (4АМ200), питаемыми током от дизель-генератора 6 (АД-200-Тсп). Также на платформе размещены: пульт управления 4, электрический щит переключения питания 5 (от дизель-генератора, электровоза или ПМГ). Воздух поступает через сопла 3. Размещение оборудования на платформе представлено на рисунке 7. Передвигает машину дрезина ДГК^у, а обслуживает один механик. Рабочая скорость снегоочистителя 3-4 км/ч, время очистки одного стрелочного перевода 1-2 мин., производительность до 17 м³/мин при толщине наста 0,3 м и ширине 2,7 м (5).

1 – вентиляторы; 2 – электродвигатели; 3 – сопла; 4 – пульт управления; 5 – электрический щит; 6 дизель-генератор

Рисунок 1.4 – Размещение оборудования на вентиляторном снегоочистителе

На Карагандинском металлургическом комбинате в 1989 г. был изготовлен вентиляторный снегоочиститель "Ветерок" на базе дрезины АГМ^у (9), представленный на рисунке 1.5. На платформе смонтирована дизель-генераторная установка ДГ-200 (дизель УД12, генератор мощностью 200 кВт). Электростанция питает и вентиляторы, и привод машины. Снегоочиститель в транспортном положении развивает скорость до 40 км/ч – в этом случае включается электродвигатель мощностью 75-100 кВт, рабочая же скорость до 5 км/ч – для привода взят электродвигатель МТВ-211 мощностью 14 кВт. Муфта переключается пневмоцилиндром, заимствованным с машины ШПМ-02. Рабочий орган состоит из восьми вентиляторов СВМ-6М (шахтные вентиляторы). Вентиляторы спарены по два в четыре ряда. Рама, на которой смонтированы вентиляторы, и рама платформы связаны между собой шарнирно, поэтому при работе с помощью пневмоцилиндра можно менять угол атаки воздушного потока от 20° до 45°. При максимальном угле атаки очищают слежавшийся снег на стрелочных переводах. Если же снег рыхлый, то угол атаки уменьшают до 20-30°. Производительность машины до 305 м³/мин (6).

Рисунок 1.5 - Вентиляторный снегоочиститель "Ветерок" на базе АГМ^у

Путевой дорожной мастерской в Гулбене Прибалтийской дороги в 1990 г. была создана снегоочистительная машина СОМ-1 (10), изготовленная на базе платформы УП-2 и предназначена для очистки от снега путей, стрелочных переводов. Принципиальная схема СОМ-1 представлена на рисунке 1.6. Проведенные испытания дали неплохие результаты.

Машина состоит из дизель-генераторной установки, расположенной в капоте 2, куда возможен свободный доступ для обслуживания и ремонта, и вентиляционной установки с очень простым устройством для приведения в транспортное и рабочее положение. Направляющий кожух сопл 4 может поворачиваться в плане на угол, кратный 28°, что обеспечивает выброс снега в любую сторону. Производительность машины 3-5 км/ч. Радиальный вентилятор 3 (В-Ц6-28-6,31) совмещен с электродвигателем 5. Один вентилятор – правого, другой – левого вращения. Вентиляторы расположены таким образом, что выходной патрубок направлен под углом 110° к горизонтали. Снег сдувается при движении в одном направлении. Управление вентилятором осуществляется из кабины 1. Для работы с очистителем СОМ-1 можно использовать дрезину или любую другую самоходную единицу.

1 – кабина управления; 2 – капот; 3 – радиальный вентилятор;

4 – направляющий раструб; 5 – электродвигатель

Рисунок 1.6 – Принципиальная схема вентиляторного снегоочистителя СОМ-1

1 – направляющий аппарат; 2 – щит отбойный; 3 – фартук; 4 – ручная стопорная лебедка; 5 – пневмоцилиндр; 6 – вентилятор; 7 – подшипниковая опора рабочего колеса вентилятора; 8 – электродвигатель

Рисунок 1.7 – Схема путевой очистительная машины типа ПОМ с одновентиляторной пневмоустановкой (ППСМ-П)

На Зап.-Сиб. ж.д. с начала 80-х годов широкое применение получили машины типа ПОМ. На машинах первых выпусков устанавливался один вентилятор, направленность снеговоздушного потока не обеспечивалась. На последних моделях одновентиляторных машин для задания фиксированного направления потока предусматривался отбойный щит (рисунок 1.7).

Главным недостатком этих машин является то, что из-за недостаточной мощности воздушной струи, создаваемой одним вентилятором, не обеспечивалась достаточная производительность на уплотненном снеге. Для устранения этого недостатка машины ПОМ стали выпускаться с двумя вентиляторами и двумя направляющими аппаратами (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Путевая очистительная машины типа ПОМ с двухвентиляторной пневмоустановкой

Машины оснащаются вентиляторами высокого давления (ВДН-17, ВДН-18, ВМ-18А и т.д.). В качестве привода вентиляторов на машинах используются двигатели постоянного тока (тяговые двигатели локомотивов) мощностью до 400 и более кВт, что значительно упрощает комплектацию машины и схему ее электропитания: от сети при тяге электровозом, от дополнительного тепловоза при тяге тепловозом. К выходному окну улитки вентилятора присоединен насадок – сопло, направляющий подаваемый вентилятором воздух в путь. Насадок установлен таким образом, что поток воздуха направляется под углом 30° к вертикальной плоскости и под таким же углом развернут к оси пути.

Снегоочистители типа ПОМ обладают наиболее мощными воздуходувными установками, но даже их пневмоустановки не справляются с уплотненным настом. Для повышения их эффективности в последние годы для привода каждого вентилятора устанавливают по два двигателя, но и это в полной мере не решает проблему.

Установка двух двигателей в одну линию значительно снижает надежность привода из-за невозможности обеспечить равенства их параметров.

Повышение мощности воздушного потока, формируемого пневмоустановками, нуждается в четком обосновании, возможном только на базе научных исследований. Это позволит исключить необоснованные затраты мощности и, соответственно, необоснованное усложнение и удорожание машин.

Существенным недостатком также является тот факт, что тяговые двигатели развивают скорость 930 об/мин, а номинальной скоростью вращения используемых вентиляторов является 1500 об/мин. Усилиями специалистов СГУПС был спроектирован мультипликатор с передаточным числом u=1,62 для машины ПОМ-4, позволяющий выводить вентилятор на номинальный режим.

2. Техническое предложение

В процессе эксплуатации машины ПОМ-4 последней модернизации выявлены следующие недостатки:

· перегрев двигателя рабочего органа - несмотря на требование производителя двигателей о принудительном охлаждении двигателя ТЛ-2К (а именно такие двигатели ставят на машины ПОМ-4 для привода рабочего органа), используется пассивное охлаждение. В процессе работы двигатель включают на 20-30 минут, затем в паузе производят пассивное охлаждение при выключенном двигателе. Тем не менее электродвигатели, выработавшие свой ресурс еще в электровозе, часто возгораются из-за межвиткового замыкания вследствие перегрева; рекомендация: перед установкой таких двигателей необходим капитальный ремонт - это значительно снизит риск выхода из строя двигателя рабочего органа;

· нагрев мультипликатора;

· частота вращения у различных двигателей ТЛ-2К под нагрузкой разная, в пределах 800…1200 об/мин, что при наличии мультипликатора с постоянным передаточным числом может существенно отличаться от расчетных 1480 об/мин у вентилятора.

Необходима дальнейшая модернизация данной машины. Целью данного проекта является проектирование системы охлаждения для двигателя и мультипликатора и приведение частоты вращения вентилятора в соответствие с действительной частотой вращения двигателя путем применения нескольких вариантов мультипликатора с разными передаточными числами.

3. Расчет мультипликатора

3.1 Исходные данные

Расчетная мощность P = 400 кВт.

Расчетные частоты вращения электродвигателя, n₂ = 1230, 1050, 930, 820, об/мин.

Расчетная частота вращения вентилятора n₁ = 1480 об/мин.

В качестве примера рассмотрен расчет при n₂ = 930 об/мин

3.2 Кинематический расчет мультипликатора

Передаточное число

u = n₁/n₂=1480/930 = 1,59. (3.1)

Крутящие моменты на валах Т, Н×м:

T = 9550P/n, (3.2)

где Р – расчетная мощность, Р = 400 кВт; n – частота вращения вала, n₂ = 930 об/мин.

Тихоходный вал (15): Т₂ = 9550×400/930 = 4108 Н×м.

Быстроходный вал:

T₁=9550Ph/n₁, (3.3)

где h - КПД зубчатой передачи, h = 0,96 (10).

T₁=9550×400×0.96/1480=2478 Н×м.

3.3 Расчет передачи

двигатель мультипликатор вал муфта вентилятор

Выбор материала

Для уменьшения габаритов мультипликатора по высоте приняты зубчатые колеса большой ширины, при этом использование высокотвердых материалов нецелесообразно так как по концам зубьев наблюдается высокая концентрация нагрузки. Основными критериями работоспособности и расчета зубчатых передач является контактная и изгибная прочность. Этим условиям отвечают углеродистые и легированные стали.

Принята для обоих колес сталь 45 улучшенная со следующими характеристиками (15):

- твердость НВ=235-262;

- предел прочности σ_в=780 МПа;

- предел текучести s_т=540 МПа.

Допускаемые напряжения.

Контактные напряжения

, (3.4)

где  - предел длительной выносливости (15); S_H - коэффициент безопасности, S_H=1,1 (15).

=2+70=2×0,5(235+262)+70=567 МПа.  (3.5)

=567/1,1=515 МПа.

Изгибные напряжения

. (3.6)

Предел длительной выносливости при нереверсивной работе (15):

=1,8=1,8×0,5(235+262)=447 МПа. (3.7)

При коэффициенте безопасности =1,75 (15) допускаемое напряжение изгиба:

=447/1,75=256 МПа.

Межосевое расстояние.

Межосевое расстояние из расчета на контактную выносливость (1):

a_w=(u+1), (3.8)

где  - коэффициент распределения нагрузки; при 7 степени точности и скорости =15 м/с =1,09 (15);

 - коэффициент ширины колеса; для шевронных колес =0,8 (1);

- коэффициент концентрации нагрузки; для симметричного расположения колес (схема 7) =1,23 (15);

 - коэффициент динамической нагрузки; =1,08 (15).

По исходным данным межосевое расстояние a_w, другие геометрические параметры, силы в зацеплении, проверки по контактным и изгибным напряжениям рассчитаны в программе DМ-21 в системе BASIC. Распечатки компьютерных данных приведены в приложении А.

Геометрические параметры. Модуль зацепления

m=(0,01…0,2)a_w. (3.9)

Ширина колес

b= a_w. (3.10)

Суммарное число зубьев при угле наклона колес с раздвоенной ступенью b=35°:

z_S=2 a_wcosb/m, (3.11)

Число зубьев шестерни

z₁=z_S/(u+1). (3.12)

Число зубьев колес

z₂= z_S-z₁, (3.13)

Уточненный угол наклона

b=arcos(m z_S/2a_w), (3.14)

Делительные диаметры

d=m_z/cosb. (3.15)

Диаметры вершин

d_a=m(z/ cosb+2). (3.16)

Диаметры впадин

d_f= m(z/ cosb-2,5). (3.17)

Окружная скорость колес.

u=pd₁n₁/60000. (3.18)

Рабочее контактное напряжение.

. (3.19)

Силы в зацеплении.

Окружная сила, действующая на полушеврон:

F_t=T₂/d₂. (3.20)

Радиальная сила:

F_r=F_ttga/cosb, (3.21)

где a - угол профиля; a=20° (15).

Осевая сила:

F_a=F_ttgb. (3.22)

Проверка по изгибным напряжениям.

Эквивалентные числа зубьев

z_n=z/cos³b. (3.23)

Коэффициент формы зуба Y_f из таблицы 4.13 (15).

Коэффициент наклона зубьев

Y_b=1-b/140. (3.24)

Рабочие изгибные напряжения:

=Y_FY_bF_tK_FaK_FbK_Fn/mb. (3.25)

Таблица параметров.

Основные геометрические и силовые параметры всех четырех вариантов зацепления сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Основные геометрические и силовые параметры