Расчет роторного вагоноопрокидывателя

Мощность привода вагоноопрокидывателя определяется с учетом двух факторов: достаточной устойчивости ротора опрокидывателя и наименьшего давления на опорные катки.

Устойчивость ротора опрокидывателя при вращении достигается расстановкой опорных катков таким образом, чтобы угол α, образуемый прямой, соединяющей центры катка и ротора с вертикальной осью опрокидывателя, находился в пределах 30 – 60 °.

Чем больше угол, тем меньше опасность соскакивания опрокидыва­теля с катков при вращении, особенно в период резкого затормажива­ния. Но увеличение угла влечет за собой возрастание горизонтальной составляющей усилия на каток, что требует усиления конструкции ниж­ней части опорной рамы, и увеличение статического момента сопротив­ления вращению.

Число опорных катков, как поддерживающих, так и приводных, выбирается независимо от конструкции привода, из условия устойчивос­ти не менее четырех, т.е. , - всегда четное число.

Определение усилия для вращения ротора вагоноопрокидывателя сводит-ся к нахождению статического момента , необходимого для преодоления сопротивлений и равного крутящему моменту на ва­лу ротора

,

где T ₁ – момент трения качения ротора по каткам; T ₂ – момент тре­ния скольжения или качения в цапфах катков; T ₃ – момент, необходи­мый для преодоления статической неуравновешенности; T ₄ – момент, необходимый для преодоления инерционных усилий.

Момент трения качения ротора по каткам Т ₁(Н·м). На один каток действует сила (рис. 49, а)

где – сила, действующая на каток, Н; – число катков; Σ G –
суммарный вес ротора вагоноопрокидывателя: ротора – G ₁, груза G ₂, платформы – G ₃ и порожнего вагона – G ₄; – угол между и .

Тогда сила трения F_f = F _кат· f

где f – коэффициент трения; R – радиус банда­жа ротора, м.

Момент трения скольжения или качения в цапфах катков . Для преодоления этого сопротивления в цапфах одного катка потребуется сила

, (2.3)

где – коэффициент трения в цапфе; и – соответственно радиу­сы катка

и цапфы, м (рис. 49, б).

Рис.49. Схема сил, действующих на каток каретки

Тогда момент трения в цапфах всех катков

. (2.4)

Подставляя в формулу (2.4) найденные выше выражения для и , получаем

Момент, необходимый для преодоления статической неуравновешен-ности опрокидывателя . Неуравновешенность в период опрокидывания возникает потому, что центр тяжести всей системы (ротора с находящимся в нем вагоном) обычно не совпадает с осью вращения. При этом, расстояние между центром тяжести системы и вертикальной осью опрокидывателя меня-ется из-за смещения центра тяжести в результате высыпания груза из вагона.

Построив несколько последовательных положений ротора, можно определить то из них, при котором статическая неуравновешенность всей системы дает наибольший момент относительно оси вращения.

В роторных опрокидывателях высыпание груза из вагона начинает происходить после того, как угол поворота ротора по своему значе­нию становится равным (углу естественного откоса груза в движе­нии) или больше его. Истечение груза происходит неравномерно, а уско­ряется по мере возрастания угла поворота. Обычно в практике угол опрокидывания для высыпания материала из вагона не превышает 135 — 140°. Однако, учитывая возможную повышенную влажность фрезерного торфа и, следовательно, его частичное налипание или примерзание к стенкам вагона в зимних условиях, максимальный угол поворота вагоноопрокидывателя узкой колеи принимают равным 175 °.

При определении момента T ₃ необходимо разбить период опрокидывания на следующие характерные фазы:

а) трогание с места (рис. 50, а);

б) угол поворота изменяется в пределах от 0 до некоторого ,
при котором вагон перемещается к боковой стенке ротора опрокиды­вателя (рис. 50, б);

в) угол изменяется в пределах от до угла естественного откоса
груза в движении ;

г) угол изменяется в пределах от угла естественного откоса груза
в движении до , соответствующего началу разгрузки (рис. 50, в),
в этот момент площадь поперечного сечения материала в вагоне можно
представить, состоящую из прямоугольника и треугольника;

д) угол поворота изменяется от до конечного угла поворо­та - груз располагается по треугольнику (рис. 50, г).

Анализируя рассмотренные положения ротора, можно сделать вы­вод, что состояние наибольшей неуравновешенности соответствует положению " в ", так как при дальнейшем вращении вагона масса мате­риала в вагоне будет уменьшаться, или вагон займет горизонтальное положение и часть груза высыпается.

Момент для преодоления статической неуравновешенности опреде­ляется по правилам курса "Теоретической механики". Например, для положения " в ":

;

;

;

; ;

; ;

; ,

где В – ширина вагона, м; L – длина груза в вагоне (длина вагона), м.

Момент, необходимый для преодоления инерционных усилий реализуется за счет запаса мощности электродвигателя и, кроме того, имеет максимальное значение в начальный момент, когда , максимальное значение которого больше

Мощность (кВт) на приведение ротора во вращение

,

где ω – угловая скорость, рад/с; η_пр – КПД привода.

Для приведения в движение ротора вагоноопрокидывателя применяются зубчатая, канатная и фрикционная передачи. В вагоноопрокидывателях для узкой колеи наибольшее распространение получила цепная передача, так как на надежность ее работы не влияют погодные условия (при обмерзании бандажа фрикционная передача пробуксовывает) и возможность попадания твердых предметов между поверхностями сцепления (в этом случае зубчатую передачу заклинивает).

Рис. 50. Положение вагона в опрокидывателе:

а - начальное; б - в момент соприкосновения вагона с упорно-прижимной стен­кой; в - начало разгрузки; г - конец разгрузки - вагон перевернут

Частота вращения ротора определяется из условия полной разгрузки вагона за время поворота. Для вагоноопрокидывателя ВУ-1 время пово­рота ротора составляет 23 с; частота вращения – 0,02 с^-1.

Передаточное отношение приводного механизма

,

где и – передаточное отношение соответственно червячного редуктора и цепной передачи; и – частота вращения соот­ветственно двигателя и ротора, , , здесь и – диаметры соответственно ротора и делительной ок­ружности приводной звездочки.

Подбор редуктора производят по передаваемой им мощности и час­тоте вращения ведущего вала.

Цепи вагоноопрокидывателя рассчитывают на прочность с учетом возможного их неравномерного натяжения.

Усилие в цепной передаче

,

где – радиус ротора, м.

Усилие, действующее на одну цепь

.

Трансмиссионные валы рассчитываются на крутящий момент

,

где и – крутящий момент соответственно на трансмиссион­ном вале и роторе, Н·м.

Катки каретки рассчитываются по контактной выносливости.

Нагрузка на каток определяется по формуле (2.1) при = 8 (на рис. 49, а показано два катка, в действующей конструкции ваго­ноопрокидывателя ротор опирается на четыре каретки, каждая из кото­рых имеет два катка).

В случае линейного контакта кругов катания ротора и катка кон­тактные напряжения

где k _нер = 0,9 – коэффициент неравномерности нагрузки ходовых колес в процессе эксплуатации вагоноопрокидывателя; k _р=1,1…1,2 – коэффициент режима работы механизма; – максимальная нагруз­ка на каток, Н; – приведенный модуль упругос­ти для материала катка и направляющей, МПа; - то же, для стали, = 2,1 10⁵ МПа; - то же для чугуна; Е₂ = 1 10⁵ МПа; b – ширина катка (длина линии контакта), мм; r – радиус катка, мм.

Допустимые контакты напряжений МПа для колеса из стали 45 и 350 МПа – из чугуна С435 - 56.

Металлоконструкция ротора в предварительных расчетах может быть оценена по углу закручивания при условии обрыва одной цепи

где – относительный угол закручивания, градус/м; – крутящий момент на валу ротора, Н·м; – модуль сдвига, МПа, = 8 · 10⁴; — полярный момент инерции площади поперечного сечения ротора относительно оси его вращения, мм⁴; и – моменты инерции площади поперечного сечения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, проходящих через ось вращения ротора ( и определяются по правилам курса "Сопротивление материалов"); = = 0,15 2 – допустимый относительный угол закручивания, градус/м. Для обеспечения жесткости ротора принимается меньшее значе­ние .