Особенности проектирования арочных рам для ремонтного производства РЖД



Статья посвящена анализу проектирования арочных рам, основным этапам проектирования, наиболее часто встречающимся случаям при проектировании арочных рам, характеру и видам нагрузки, расположению конструктивных элементов в арочных рамах в зависимости от нагрузок и технологического оснащения производства.

Ключевые слова: арочные рамы, продольные и поперечные профильные схемы рам, асимметричная и симметричные схемы рам, виды нагружения арочных рам — изгиб и кручение.

В середине XX столетия в ремонтном машиностроении широкое распространение получили арочные рамы. Их основным достоинством было высокое расположение над обрабатываемой поверхностью. Благодаря этому перемещаемые грузы не требуют высокого подъёма и хорошо вписываются в производственные площади, позволяя выполнять сложные технологические операции с высокой точностью, например, производить доставку деталей к станкам, раскладку деталей к сборке, отвоз деталей на дефектовку и т. д.

Главным достоинством машин транспортёр-подъёмников для ремонтного производства являлось то, что они могли принимать грузы для транспортировки в ремонтном производстве без высокого подъёма методом бокового наезда, когда транспортёр-подъёмник поворачивается трактором для установки над грузом. Далее эти машины поднимали грузы синхронно на две продольных балки, что важно при транспортировке колесных пар и других длинных грузах с возможностью симметричного крепления грузозахватными механизмами.

Так, в транспортёр-подъёмниках были использованы асимметричная схема конструкции (рис. 1) и симметричная схема конструкции (рис. 2) [1].

Рис. 1 — Асимметричная схема рамы машин транспортёр-подъёмников

(b₂ ≠ b₃).

Рис. 2 — Симметричная схема рамы машин транспортёр-подъёмников (b₂ = b₃).

При проектировочных расчетах обычно используются профильные схемы, приведённые на рис. 3. Главной особенностью профильных схем является упрощенная методика представления силовых факторов, способов их приложения и крепления элементов конструкции в механизме, сводя статически неопределимые системы к статически определимым.

а, б — вариант асимметричной рамы в транспортном и рабочем положении;

в, г — вариант симметричной рамы в транспортном и рабочем положении;

G_М — вес машины; G₁ — вес машины приходящийся на опорные колеса в транспортном режиме; G'₁ — вес машины приходящийся на опорные колеса в рабочем режиме; G₂ — вес машины приходящийся на прицеп трактора транспортном режиме; G'₂ — вес машины приходящийся на прицеп трактора рабочем режиме; G'₃ — вес подвешенного груза в рабочем режиме; F_т — сила тяги трактора; R_к, R'_к, R_пр, R'_пр — соответственно опорные реакции колёс и прицепа в транспортном и рабочем положении; F_ск, F'_ск — силы сопротивления качению колес машин, соответственно в транспортном и рабочем режимах; ЦТ — центр тяжести машины.

Рис. 3 — Продольные профильные схемы рам машин транспортёр-подъёмников и их нагружение

Из приведённых схем видно, что отличий на продольных профильных схемах рам нет, что явилось спецификой проектирования рам, т. к. на поперечном профиле спереди рис. 4 видны существенные различия не только по силам, но и по видам нагружения (изгиб и кручение).

Из схем, представленных на рис. 4, видно, что в асимметричной раме машины транспортёр-подъёмника передний поперечный брус B₁B₂B₅B₆ работает на чистое кручение (рис. 1), в то время как в симметричной раме машины транспортёр-подъёмника передний поперечный брус B₁B₂B₃B₄ (рис. 2) работает на сжатие. Продольные брусья A₁A₂B₃B₈, A₄A₃B₆B₇, B₁B₂D₂D₁ и B₆B₅D₅D₆ в схеме, представленной на рис. 1, работают на одноосный изгиб, а продольные брусья A₁A₂B₂B₁, A₄A₃B₃B₄ работают на косой изгиб, в схеме, представленной на рис. 2, а в той схеме B₁B₂D₂D1 и B₆B₅D₅D₆ работают на одноосный изгиб.

а, б — вариант рамы асимметричной машины транспортёр-подъёмника перед загрузкой и с грузом;

в, г — вариант рамы симметричной машины транспортёр-подъёмника перед загрузкой и с грузом;

обозначения G_М; G₁; G'₁; G₂; G'₂; F_т; R_кп; R_кл; R'_кп; R_пр; R'_пр; F_ск; F'_ск — соответствуют рис. 3;  — силы сопротивления качению колес транспортёра-подъёмника направлены от наблюдателя;  — сила тяги направлена на наблюдателя; ЦТ — центр тяжести машины.

Рис. 4 — Поперечные профильные схемы рам машин транспортёр-подъёмников и их нагружение

Таким образом, даже при одинаковом профиле прямоугольной трубы 220×100×5, выполненной из стали 09Г2С ГОСТ 5058–65, и при отсутствии поперечных швов происходит уменьшение допускаемых напряжений с [σ_из]_II = 1500 кгс/см² до [τ_кр]_II = 900 кгс/см² [4], что потребовало усиления дополнительными накладками поперечного бруса B₁B₂B₃B₄, которое было вызвано отсутствием технологической гибкости технологического оборудования Рязанского комбайнового завода.

С учетом этого момент сопротивления изгибу равен

тогда расчетный изгибающий момент будет

М _из = W_X · [σ_из]_II = 145 · 1500 = 217 750 кгс см = 21 360 Н м.

Учитывая, что плечо момента составляло 1 м (по конструкции рамы симметричной машины транспортёр-подъёмника), расчетная сила тяги тягового модуля F_т должна составлять 21,36 кН (2,17 тс). Таким образом, для двух раскосов, с учётом косого изгиба, суммарная сила тяги тягового модуля составляла 39,2 кН (4,0 тс), т. е. заявленная тяговая характеристика 29,43 кН (3 тс) для рамы конструкции была выполнена.

Момент сопротивления при кручении для профиля прямоугольной трубы 220×100×5, выполненной из стали 09Г2С ГОСТ 5058–65, определяется по формуле

W_К = α h b² — α h₁ b₁², (2)

где α = 2,5 — справочный коэффициент по табл. 12, т. 1, с. 76 [2].

Тогда расчетный крутящий момент будет

М _К = W_R · [τ_кр]_II = 124 · 900 = 111 600 кгс см = 10 948 Н м.

Учитывая, что плечо момента составляло 1 м (по конструкции рамы асимметричной машины транспортёр-подъёмника), расчетная сила тяги трактора F_т должна составлять 10,95 кН (1,12 тс). Таким образом, для двух раскосов, с учётом перераспределения нагрузок и совместности деформаций, суммарная сила тяги тягового модуля составит 21,9 кН (2,2 тс), т. е. заявленная тяговая характеристика 29,43 кН (3 тс) для рамы асимметричной машины транспортёр-подъёмника не была выполнена.

Полное ослабление сечения k_ОС по исходному профилю прямоугольной трубы 220×100×5, выполненной из стали 09Г2С ГОСТ 5058–65, составило:

k_ОС = М _из / М _К = 21 360 / 10 948 = 1,95

Таким образом, по результатам анализа и расчетов можно сделать следующие выводы:

1) первоначально строится аксонометрическая проекция рама машины транспортёр-подъёмника арочного типа с соблюдением вариативных параметров (в настоящее время удобно делать с помощью программ MathCard или MathLab);

2) составляются продольные и поперечные профильные схемы рам (при необходимости горизонтальные) и их нагружение;

3) осуществляется вариативное нагружение проектируемой рамы с решением проверочной, а также прямой и обратной проектных задач с учётом требований Технического задания [3];

4) рассматриваются вопросы технологического сопровождения по возможным вариантам конструктивного исполнения с расчетом возможного усиления (ослабления) конструкции.

Литература:

1. Разработка разветвляющейся технологии уборки картофеля с обоснованием параметров и режимов работы сепарирующих устройств Дисс. на соиск. учён. степ. д.т.н. по спец. 05.20.01 — Рязань: Отделение полиграфии ИТО РИПЭ Минюста России 1999. — 467 с.
2. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т.1. — 5-е изд., перераб. и доп., — М.: Машиностроение, 1979. — 728 с., ил.
3. Филатова С. А., Сороковых Н. В. Техническая механика. Сопротивление материалов. Расчёты элементов конструкций ВВТ при различных видах деформаций. — Рязань: РВВДКУ, 2012–90 с.