Путевые моторные гайковерты (устройство,

принцип работы, расчет параметров)

 

При укладке плетей бесстыкового пути необходимо сначала отвинчивать для снятия инвентарных рельсов, а затем завинчивать для закрепления надвигаемых плетей до 8000 гаек клеммных болтов на одном километре. Во время эксплуатации бесстыкового пути весной и осенью перед резкой сменой температуры окружающего воздуха производится разрядка возникших температурных напряжений. Сначала рельсовые скрепления ослабляются для компенсации изменения длины плети и снятия напряжений, а затем закрепляются новь. Путевой моторный гайковерт ПМГ (после модернизации ПМГ-1М) предназначен для отвинчивания, смазки и завинчивания гаек клеммных и закладных болтов рельсовых креплений (рис. 8.27). Экипажная часть включает раму 2 с автосцепками 1, которая опирается на два колесно-моторных блока 5. Блок включает колесную пару, осевой редуктором, промежуточный редуктор и электродвигатель, валы которых соединены через карданные передачи. На одном колесно-моторном блоке устанавливается датчик скоростемера. В передней части рамы (по направлению движения при работе) располагается дизель-электрический агрегат 4 мощностью 200 кВт с топливным баком 3, а в задней части – кабина управления 11, позволяющая перевозить до 5 чел, включая 2 чел бригады машины.

Рабочее оборудование включает четыре блока 8, каждый из которых, в свою очередь, имеет четыре гайковерта. При работе блоки опускаются ходовыми роликами на головки рельсов, что позволяет выдерживать нижние части гайковертов на строго определенном уровне, не зависящем от прогиба рессор колесно-моторных блоков. Кроме того, на машине установлены пассивные тросовые щетки 6 для очистки скреплений и два поролоновых ролика 7, связанных с масленкой для смазки скреплений. Конструкция гайковерта предусматривает также дополнительный лубрикатор для подачи смазки на болт с гайкой непосредственно при отворачивании или заворачивании [57].

Основной рабочий орган, давший название машине – трехшпиндельный гайковерт с трехлучевым редуктором. Схема одного из трех лучей показана на рис. 8.28. По концам каждого луча расположен ведомый вал-шпиндель, имеющий внизу патрон 5 для надевания на гайку скрепления 7. Соосно с каждым шпинделем закреплен искатель 6, выполненный в виде вилки, упирающийся в скрепление при движении машины. Шпиндель гайковерта может свободно поворачиваться относительно ведущей шестерни на 270°. Это необходимо для нормальной заправки патрона шпинделя на гайку скрепления. Возвращается шпиндель возвратной торсионной пружиной 9, установленной внутри его корпуса. Патрон 5, соединенный со шпинделем 4 штифтом 8, вращается зубчатым колесом 3 через паразитное колесо 2 от ведущей шестерни 1. Шпиндель установлен непосредственно на колесе 3. Весь гайковерт закреплен на водиле.

Рассмотрим схему работы моторного гайковерта (рис. 8.29) в автоматическом режиме. Процесс обработки одного скрепления можно разделить на пять позиций. Позиция I соответствует поиску гайки 9 клеммного болта. Водило 2 гайковерта в верхнем положении, конечный выключатель КВ выключен. При движении машины (позиция II) искатель 8 нашел гайку и обкатывается вокруг нее вместе с гайковертом, упор 3 нажимает на рычаг КВ, который включает цилиндр, опускающий водило с гайковертом 1 в нижнее положение. Шпиндель 10 заправляется на гайку и начинает с ней работать (откручивать или закручивать). В позиции III шпиндель находится на гайке, упор нажимает на рычаг КВ, подается 6-8 г смазки на болт рельсового скрепления. В позиции IV упор 3 сходит с рычага КВ, который отключается. Гидроцилиндр поднимает водило с гайковертом в верхнее положение. В позиции V водило с гайковертом находятся в верхнем положении. Искатель готов к поиску следующего крепления. До следующей гайки остается запас хода не менее 120 мм при эпюре шпал 2000 шпал/км. В процессе обкатки гайковерта вокруг обрабатываемой гайки один из лучей гайковерта прижат пружинами 6 к направляющей линейке 5. Шпиндель, вращающийся от карданного вала, находится на обрабатываемой гайке 0,3-1,2 с, что соответствует подъему или опусканию гайки на 3-12 ниток.

Необходимая ориентация гайковертов относительно гаек скреплений обеспечивается за счет контакта и скольжения трехлучевого искателя по боковой поверхности головки рельса с незначительным прижимом комплектами пружин 6. При приведении в рабочее или транспортное положение водила смежных гайковертов раздвигаются в плане пневмоцилиндром (не показан).

Вращение шпинделей гайковертов одного блока производится двумя электродвигателями 1 (рис. 8.30) через клиноременные передачи 5 и 8. Первый ряд гайковертов производит отворачивание и смазку гаек, а второй ряд – заворачивание и затяжку, поэтому валы электродвигателей вращаются в разные стороны.

В маховики 11 второго ряда гайковертов встроена переключаемая гидромуфта предельного момента. При опускании гайковерта гидромуфта позволяет передавать вращающий момент через карданный вал 12 на трехлучевой редуктор и далее на шпиндели и патроны. После подачи масла под давлением в гидроцилиндр подъема гайковерта одновременно подается давление в гидроцилиндр 10, который через рычажную передачу переключает гидромуфту в режим разгрузки. В результате падает крутящий момент патрона, гайковерт свободно поднимается, предотвращая возможный сдвиг и повреждение обработанного скрепления. Система позволяет регулировать момент затяжки гайки.

Моторный гайковерт имеет четыре блока, два из которых настроены на обработку гаек клеммных болтов, а два – на обработку гаек закладных болтов. Гайковерты монтируются на общей раме, которая при работе опирается через ролик на рельс. Положение рамы регулируется по высоте относительно опорного ролика в пределах 0-60 мм в зависимости от типа болтов (клеммные или закладные), типа рельсов и скреплений. Регулировка производится дополнительным гидроцилиндром, управляемым через ручные вентили.

В соответствии с характером работы гайковерта процесс отвинчивания и завинчивания гаек является периодическим. Период соответствует циклу обработки одной гайки. В качестве примера рассмотрим процесс отворачивания гайки. Время цикла соответствует повороту трехлучевого редуктора на угол jр = 2/3p (120°) с паузой на скольжение вдоль рельса и составляет tр = Lэп/Vм (Lэп – расстояние между осями шпал, расположенных по эпюре, м; Vм – рабочая скорость движения машины, м/с). Часть времени цикла расходуется на разгон двух маховиков после снижения скорости в операции отворачивания гайки, соответственно, на накопление кинетической энергии, а часть времени накопленная энергия, расходуется на скручивание торсионной пружины в шпинделе до достижения момента начала вращения гайки (расчетный момент Mmax = 400 Н×м), после чего момент постепенно падает до минимального значения, практически равного нулю. Торсионная пружина выполняет функцию амортизатора, позволяя избегать сильных рывков в системе, которые приводят к проскальзыванию ремней и их быстрому износу. Условно считаем, что угол поворота шпинделя до момента начала вращения гайки Dj1 = 2/3p (270° – по конструктивной характеристике рабочего органа). На этом угле вращающий момент линейно нарастает до максимального значения Mmax. Далее на угле вращения шпинделя Dj2 = 2pnв, соответствующем вращению гайки на число витков nв = 10-12 с постепенным ослаблением пружинной шайбы под гайкой, момент падает до минимального значения Mmin » 0 (гайку практически далее можно отворачивать рукой). Работа, совершенная на отворачивание гайки, Н×м:

 

(8.43)

 

Привод от асинхронного электродвигателя переменного тока имеет жесткую механическую характеристику. Значительное снижение скорости вращения вала может привести к остановке двигателя вследствие срабатывания тепловых реле в системе защиты от перегрузок. Неравномерность вращения ведущего звена характеризуется коэффициентом:

 

(8.44)

 

где – максимальная и минимальная допустимая угловая скорость вращения вала электродвигателя, рад/с; – средняя угловая скорость вращения вала электродвигателя, рад/с; ( ).

После сброса нагрузки: – максимальную угловую скорость вращения ротора можно принять равной синхронной частоте вращения магнитного поля. При значительном повышении нагрузки на двигатель свыше номинальной может возникнуть неустойчивый режим критического скольжения. Если повысить нагрузку еще, то далее вращающий момент электродвигателя падает, он останавливается. Примем , допуская скольжение 0,1. В номинальном режиме скольжение обычно составляет 0,02-0,03.

С учетом передаточного числа iкп клиноременной передачи 3 (см. рис. 8.30) приведенный к валу электродвигателя момент инерции системы , кг×м4 (Jэд, Jм – момент инерции ротора электродвигателя и одного маховика, кг×м4).

Потеря кинетической энергии двух маховиков на преодоление сопротивления отворачиванию двух гаек, Дж:

 

(8.45)

 

После преобразований минимально необходимый момент инерции одного маховика, кг×м4:

 

(8.46)

 

При расчетах можно пренебречь величиной Jэд и моментами инерции других механизмов устройства. Тогда расчетный момент инерции маховика немного увеличивается, что способствует плавному движению механизма в целом.

Отвинчивание и завинчивание гаек – процесс циклический, пикообразный. При отвинчивании в начале процесса крутящий момент Mкр = Mкрmax, а в конце он падает практически до 0. При таком нагружении целесообразно иметь маховик, который при малом нагружении раскручивается и накапливает энергию, а при пиковой максимальной нагрузке отдает ее. Такие маховики установлены в приводе каждого ряда гайковертов. Максимальный момент завинчивания гаек клеммных болтов равен 250-400 Н×м. Из-за коррозии металла момент увеличивается. Экспериментально установлено, что он равен приблизительно 500 Н×м. Найдем параметры маховика, обеспечивающего начальный сдвиг гайки на угол 90° при максимальном моменте и дальнейшее отвинчивание с меньшим моментом.

Кинетическая энергия маховика E1 в начальный момент отвинчивания при угловой скорости вращения w1:

 

(8.47)

 

В конце отвинчивания где I – момент инерции маховика, кгм2; – угловая скорость вращения в конце отвинчивания, с-1. Тогда изменение кинетической энергии DE = E1 – E2 = Предполагая, что маховик расходует всю энергию, т.е. w2 = 0, то получим DE = .

Работа, совершаемая при отвинчивании гайки:

 

(8.48)

 

По закону сохранения энергии E = A или E = mA,

 

(8.49)

 

где m – коэффициент запаса, учитывающий потери и превышение момента (m = 1,2-1,5).

Откуда так как w = 2pn1,

 

(8.50)

 

где n1 – частота вращения маховика, с-1.

Выбираем n1 по скорости вращения гайки n2, т.е. n1 = n2i, где i – передаточное отношение между шпинделем и маховиком, обычно i = 2, а nг = nвtг; nв – число витков резьбы, на которое отвинчивается гайка, nв = 8-12 витков; tг – время отвинчивания одной гайки, с; tг = Lшпk/Vм, здесь Lшп – расстояние между шпалами, м, Lшп = 1000/Эшп – эпюра шпал (число шпал на 1 км), Эшп = 1840-2000 шпал/км, k – коэффициент сдвига шпал и использования гайковерта, k = 0,35; Vм – поступательная скорость движения машины, (Vм » 0,22 м/с).

Подставляя в n1, получим

 

(8.51)

 

Тогда по равенству (8.50) можно определить момент инерции I, а затем размеры маховика. Для однородного диска

 

(8.52)

 

где m – масса, кг; r – радиус маховика, м.

Если гайки отвинчиваются за счет кинетической энергии маховиков, то мощность N1, необходимая для каждого гайковерта, равна мощности разгона маховика, кВт:

 

(8.53)

где Mдин – динамический момент, Н×м, необходимый для разгона маховика до скорости w1, с-1, с угловым ускорением e, Mдин = I(w1 - w2)/t = Ie, при w2 = 0 Mдин = Iw1/t, где t – время разгона, с, зависящее от времени цикла tц: t = tц – tг = Lшп(I - k)/Vм = 1000(I – k)/(ЭщпVм).

Суммарная мощность, необходимая для одновременно работающих гайковертов, кВт:

 

(8.54)

 

где Nj – мощность для работы j-го гайковерта, кВт; k – число работающих гайковертов, шт.; – к.п.д. передачи от двигателя до маховика.

Мощность, затрачиваема на передвижение машины в абочем режиме, кВт, , где vм – скорость машины, м/с; – к.п.д. передачи; – коэффициент запаса, =1,15; W – общее сопротивление движению, Н: W= W1 + W2 + W3 + W4, здесь W1, W2, W3– сопротивление перемещению машины в кривом участке и на уклоне пути, Н; W4 – сопротивление трения гайковёртов по направляющей планке, Н: W4 = kгвРгвf; kгв– число гайковёртов на машине; Ргв – усилие прижатия гайковёрта к направляющей планке, Н, Ргв = 700–900 Н; f – коэффициент трения гайковёрта о направляющую планку.

Для работы вспомогательных агрегатов (компрессора и гидронасосов) необходима мощность N3.

Суммарная мощность двигателя машины, кВт,

 

N=(N1 + N2 + N3) , (8.55)

 

где – коэффициент запаса на неучтённые потери.