Строительные и дорожные машины (стр. 3 )

1.  Общие расчеты машин

1.1. Определение геометрических параметров бульдозеров и скреперов

Геометрические параметры машин можно определить по зависимостям, приведенным в таблицах 6, 7 и по рекомендациям [5].

Таблица 6

Параметры Зависимость параметра от мощности

двигателя для гусеничного бульдозера

Тяговое усилие, Н Т = (1N

Длина бульдозера (полная) мм L = (

Ширина бульдозера общая (отвала), мм Sб = (

Высота бульдозера (максимальная), мм Нб = (

Ширина гусеницы, мм Sг = (

Ширина колеи, мм Sк = (

Вес полный, т G = 2,6

Вес рабочего оборудования, т Gраб = (0,,015)N

Схемы машин с полученными размерами представлены на рис. 1, 2, 3.

1.2.  Определение геометрических параметров одноковшовых экскаваторов

Одноковшовые экскаваторы выполняются с механической трансмиссией и гидравлические с объемным приводом.

1.2.1.  Экскаваторы с механической трансмиссией [6]

Масса машины определяется по формуле

m = Kмq,

где Kм - коэффициент пропорциональности, кг/м3;

q - вместимость ковша, м3.

Для универсальных экскаваторов Км = ×103; для легких условий работы следует принимать меньшие значения, при тяжелых - большие.

Геометрические размеры машины Li и рабочего оборудования определяются по зависимости:

,

где KL - коэффициент размеров машины.

Для габаритных размеров машины рекомендуются следующие KL [6]:

Высота кузова 0,,125

Радиус задней стенки кузова 0,09 ... 0,095

Радиус пяты стрелы 0,,038

Высота пяты стрелы гусеничного

экскаватора Нпг 0,,048

База гусеничного хода 0,,116

Длина гусеницы 0,,138

Ширина хода 0,,11

Ширина звена 0,02 ... 0,017

Высота гусеницы 0,,03

Высота звена 0,,0045

Клиренс под платформой 0,,11

Высота пяты стрелы экскаватора на пневмоходу Нпп определяется после выбора пневматических шин Дш,

Нпп = Нпг(Дш - Нг).

Размеры оборудования определяются по зависимостям, приведенным в табл. 8.

Рис. 1, 2, 3

Таблица 7

Параметры Зависимость параметра от емкости ковша q, м3

для прицепных скреперов для самоходных

скреперов скреперов

Емкость ковша с шапкой, м3 q1 = 1,3q

Мощность тягача, кВт N = 10 + 18,5q

Тяговое усилие, Н T = 10000q Т1 = 10000q

Вес скрепера, Н G = (10000...12000)q G1 = (11000...15000)

Длина скрепера, мм L = 1200 + 4200 L1 = (4500...5200)

Ширина скрепера, мм B = (1500...1700) B1 = (1200...1400)

Высота скрепера, мм H = (0,8...1,2)1400 H1 = (1200...1400)

База скрепера, мм Б = (2800...3300) Б1 = (2800...3300)

Колея передних колес, мм Кп = ( 0,8...1,2)860 Кп1 = (0,8...1,2)860

Колея задних колес, мм К3 = ( Кз1 = (860...1100)

Длина ковша, мм Lк = (0,84...1,16)660 Lк1 = (0,87...1,13)

Ширина ковша, мм Вк = (0,85...1,15)1380 Dк1 = (0,87...1,13)

(400 + 1060)

Высота боковой стенки ковша, мм Нб = (0,83...1,17) Нб1 = (0,9...1,1)

(710- 0,5) (250 + 520)

Высота подъема передней заслонки, мм Нп = (0,8...1,2)716 -

Клиренс под ножом ковша, мм С = (0,75...1,25)340 -

Максимальная скорость, км/ч Umax =,5 Umax1 = 12 + 15,3+ 0,4

Таблица 8

Элементы рабочего Прямая лопата Обратная лопата Драглайн

оборудования

Длина стрелы lc = (0,21...0,2) lc = 7 lc = (0,45...0,46)

Длина рукояти lp = (0,7...0,8)lc lp = (0,35...0,5)lc -

Длина дополнительной стойки lст = 0,15

Ширина ковша bк = (1,05...1,1) bк = 1,15

Длина ковша Lк = 1,25 Lк = 1,25 bк

Высота ковша hк = 0,9 hк = 0,75 bк

Примерное распределение массы экскаватора между основными сборочными единицами (в долях от массы всей машины) приведено в табл. 9.

Таблица 9

Рабочее оборудо-вание	Вид ходо-вого устрой-ства	Наименование сборочных единиц
Ходовое устрой-ство	Плат-форма пово-ротная	Про-тивовес	Стрела	Рукоять	Ковш
Прямая лопата	колесное гусеничное	0,25 0,34	0,54 0,45	0,05 0,05	0,07 0,07	0,045 0,045	0,045 0,045
Обратная лопата	колесное гусеничное	0,24 0,34	0,56 0,46	0,06 0,06	0,07 0,07	0,03 0,03	0,04 0,04
Драглайн	колесное гусеничное	0,26 0,34	0,56 0,48	0,06 0,06	0,06 0,06	- -	0,06 0,06

Скорости основных движений рабочего органа в зависимости от вида оборудования приведены в табл. 10.

Таблица 10

Тип рабочего оборудования	Выполняемое движение	Скорости движений при вместимости ковша q, м3
0,25...0,8	1,0...1,5	2...3
Прямая лопата	Подъем движения uк Напор рукояти uн	0,5 0,5	0,6 0,6	0,8 0,8
	Возврат рукояти uв	uв = (1,3...1,5) uн
Обратная лопата	Тяга ковша uт Подъем рабочего оборудования uп	0,35 0,25	0,4 0,3	0,45 0,3
Драглайн	Тяга ковша uт Подъем ковша uп	0,7 0,8	0,8 1,0	0,9 1,2

Частоту вращения поворотной платформы можно определить по эмпирической зависимости:

nI = 3,2 - q; nII = 6,7 - 0,9q,

где nI - первая скорость (для работы с крановым оборудованием), 1/мин;

nII - вторая скорость (для работы с экскавационным оборудованием), 1/мин.

Скорость передвижения экскаватора выбирается равной скорости машины прототипа с дальнейшим уточнением в зависимости от параметров двигателя и трансмиссии.

Так, для экскаваторов на пневмоколесном ходу U1 = 19...22 км/ч, на гусеничном ходу U2 = 1,4...2,9 км/ч (прилож. табл. 21-1 [9]).

3.2.2.  Гидравлические экскаваторы

Масса экскаватора определяется из условия устойчивости машины (отсутствия сползания юзом) от горизонтальной составляющей силы копания Р01 [6, 4]:

Р01max £ mmq,

где m = 0,7 - расчетное значение коэффициента трения ходового оборудования о грунт;

mg - вес экскаватора; G = mg;

.

По заданной величине вместимости ковша q из пропорции с прототипом qп можно получить вес экскаватора:

, следовательно, .

Для ковша обратной лопаты (рис. 4), имеющего q = 0,3...3,2 м3 ВНИИСтройдормаш рекомендует следующие параметры:

Основные параметры погрузочного ковша можно определить по следующим соотношениям:

Lк » 1,2- длина ковша, м;

Lg » 0,72- длина днища, м;

R3 = Lк - Lg - радиус задней стенки, м;

bк » 1,35Lк - ширина ковша, м.

Рис. 4

Для телескопического вида рабочего оборудования рекомендуется брать задний угол; при копании поворотом ковша g = 25...30°, при втягивании подвижной стрелы g1 = 5° радиус ковша

,

где кн = 0,7 - коэффициент наполнения ковша.

Величина угла y = 30°, bк = 1,2. Для данных значений исходных величин bк » 1,2. Как видно, при этом bк = Rк.

Для планирующего ковша при всех одинаковых величинах = (1,2...1,6) bк.

1.3. Определение размеров поворотной платформы

Диаметр опорно-поворотного круга Доп, м, на стадии эскизного проектирования определяется по эмпирической зависимости: Доп » 0,0255.

Площадь опорной поверхности гусеничного ходового оборудования

,

где [p] - допускаемое давление на грунт; для экскаваторов 3, 4, 5 и 6-й размерных групп должно быть соответственно не более [5; 6,3; 9; 11,2]×104 Па.

База гусеничного экскаватора

,

где Вл = 0,0102- ширина гусеничной ленты, м.

Колея экскаватора К » В0; высота гусеничного хода Нх = 0,014.

Для колесного экскаватора принимают К = 2200...2400 мм, база примерно равна базе гусеничного экскаватора.

Координаты оси крепления рабочего оборудования к платформе хс и ус для оборудования прямого и обратного действия принимают следующими:

хс = (0,60...0,65)Rоп;

ус = Нх + 1м.

Размеры собственно базовой машины и базовой машины с рабочим оборудованием представлены соответственно: на колесном ходу - рис. 5,а, 6,а; на гусеничном ходу - рис. 5,б, 6,б.

1.4. Расчет параметров многоковшовых экскаваторов

1.4.1. Цепной траншеекопатель

Для гравитационной нагрузки ковшей рекомендуется брать скорость ковшовой цепи uц = 0,8...1,2 м×с-1. Число ссыпок ковшей в минуту выбирают в диапазоне nc = 40...60.

Следовательно, шаг расстановки ковшей будет определяться по формуле

.

Вместимость ковша уточняется после определения nc по производительности экскаватора в грунтах I категории:

.

Параметры ковша приблизительно можно выбрать следующим образом: ширина ковша bк = 0,9b, где b - ширина траншеи; высота ковша hк = 0,5lк, где lк - длина ковша; длина ковша определяется по известным величинам bк и q из выражения

q = 0,5 bк,

следовательно,

.

Рис. 5, 6

Длина рабочего органа lp определяется из условия возможности разработки на заданной глубине h и выгрузки на определенной h0.

,

где Дзв - диаметр звездочки; ,

tц - шаг ковшовой цепи;

zз - число зубьев звездочки; (zз = 6...10).

Длина ковшовой цепи lц = 2lp + pДзв.

Рис. 6

1.4.2. Роторный траншеекопатель

Диаметр ротора по зубьям, м,

Д = 1,41h + 0,65,

где h - глубина траншеи, м.

Радиус ротора по ковшам, м, Rк = 0,5Д - 0,16.

Наружный и внутренний радиусы диска ротора, м:

Rн = 0,42Д - 0,10; Rв = 0,35Д - 0,04.

Ширина ковша, м, bк = b - 1,7hз или bк = 0,9b,

где hз - высота зуба.

Размеры сечения кольца (мм) - высота кольца hк и толщина dк:

hк = 70h + 66; dк = 10,2h + 0,7.

При определении скорости вращения ротора вначале определяется критическая величина с точки зрения гравитационной разгрузки: , а затем принимается wp = (0,5...0,9)wкр.

Окружная скорость ротора берется в пределах

up = (1,6...2,7)м×с-1. Количество ковшей на серийно выпускаемых машинах zк » 14...18.

1.5. Элементы гидропривода машин

1.5.1. Гидропривод служит для движения

рабочего оборудования машины, всей машины, поворотной платформы.

Гидропривод состоит из следующих элементов: гидробака, насоса, распределителя, клапанов, фильтра, гидромоторов (гидроцилиндров), трубопроводов и приборов для замера давлений и температуры масла.

Принципиальные схемы гидроприводов некоторых строительных машин приведены в прилож. 7.2 [9].

1.5.2. Расчет элементов гидропривода

В качестве примера возьмем расчет основных параметров гидропривода неповоротного бульдозера.

Считаем, что нами определена требуемая сила на гидроцилиндре Рц (Н), подъем-опускание отвала производится двумя гидроцилиндрами; удельное давление в гидросистеме Рном = 16 МПа; ход штока определен графически по известным величинам подъема и опускания отвала Lход; скорость движения поршня гидроцилиндра определена требуемой скоростью подъема-опускания отвала (uотв = 0,25 м/с).

По заданным величинам Рц и Рн определим диаметр гидроцилиндра в м:

;

где DРном = (0,8...0,9)Рном - перепад давления на гидроцилиндре;

hгму - гидромеханический кпд гидроцилиндра;

hгму = 0,9...0,95.

Производительность насоса, м3/c:

;

где z - число цилиндров, работающих в системе одновременно (2);

dц - диаметр цилиндра, м;

uц - скорость движения поршня; uц = 0,25 м/c.

Мощность привода насоса, кВт:

;

где Q - производительность насоса, м3/c;

hнас - кпд насоса; hнас = 0,9.

Главные параметры распределителей, фильтров, клапанов подбираются по пропускной способности (производительности насоса Q).

Полезный объем определяется по формуле, дм3:

Vпол = (2...3) Q,

где Q - производительность насоса, л/мин.

Диаметр трубопровода определяется по формуле:

,

где Ду - условный проход (внутренний диаметр) трубопровода, м;

Q - поток жидкости через трубопровод, м3/c;

uтруб - скорость потока в трубопроводе, м/c - зависит от вида трубопровода, удельного давления в системе.

Так, при Рн = 16 МПа - в напорном трубопроводе uтруб = 4 м/c.

Справочные данные по элементам гидропривода смотри [10].

4.  Определение производительности машин

Для машин циклического действия (бульдозеры, скреперы, одноковшовые экскаваторы) техническая производительность, м3/ч, определяется

,

где q  — объем работ за 1 рабочий цикл, м3;

n  — число рабочих циклов за 1 минуту, ;

здесь Тц - время рабочего цикла, с;

Кн — коэффициент наполнения;

Кр — коэффициент разрыхления грунта.

Объем работ за 1 рабочий цикл представляет собой:

♦ для бульдозера — объем призмы волочения , м3,

где Нотв — высота отвала, м;

В — длина отвала, м;

a — угол естественного откоса грунта, a=35+45

♦ для скрепера и экскаватора одноковшового — вместимость ковша, м3.

Время 1 рабочего цикла, с, для бульдозеров и скреперов определяется расчетным путем:

Тц = Т1 + Т2 + Т3 + Т4 + Т5,

где Т1 — время резания (набора грунта в призму волочения

или в ковш);

(l1 — длина пути резания, м; vp — рабочая скорость машины, м×с-1);

Т2 — время перемещения грунта;

(l2 — длина пути перемещения (транспортирования) грунта, м; vтр — скорость машины при транспортировании грунта, м×с-1);

Т3 — время выгрузки грунта;

(l3 — длина пути выгрузки грунта, м);

Т4 — время обратного (холостого) хода;

(l4 — длина пути обратного хода, м; v4 — скорость движения машины при холостой ездке, м×с-1);

Т5 — время переключения передач и маневрирования при 1 рабочем цикле, с.

Для бульдозеров и скреперов l1 определяется из величины объема призмы волочения или вместимости ковша q, средней величины глубины резания грунта hрез ср и ширины резания В; Вк:

.

Для скреперов рекомендуются следующие величины (в зависимости от вместимости ковша q):

q, м3	3	6	10	15	25
hрез ср, см	2-3	4-6	8-10	12-14	16-20

Для бульдозеров максимальная глубина резания определяется по тяговому усилию базового тягача:

.

где Т — тяговое усилие трактора;

Рf — сила сопротивления перемещению машины (п. 4.1);

К — удельный коэффициент сопротивления копанию (п. 4.1).

Рабочая скорость машины определяется по данным аналогов, транспортная скорость скреперов — по рекомендациям п. 1.1.

Длина пути транспортирования грунта l2 для бульдозеров ограничена — не более 100 м; для скреперов, прицепных к гусеничным тягачам, — не более 200 м; к пневмоколесным тягачам — не более 500 м; самоходных — не более 5 км.

Для бульдозера: Т3 = 4 с — время на подъем отвала;

Т5 = 5n + 10p,

где n — число переключений передач;

р — число разворотов, поворотов машины.

Значения величин коэффициентов Кн и Кр для различных видов грунтов приведены в табл. 11.

Таблица 11

Грунт	Кр	Кн
Песок сухой	1,1	0,6...0,7
Песок влажностью 12-15%	1,1...1,2	0,7...0,9
Чернозем и подзолки влажностью 12-15%	1,3...1,35	1,1...1,75
Супеси и суглинки влажностью 4-6%	1,2...1,4	1,1...1,2
Глина сухая	1,2...1,3	1,0...1,1
Дресва (выветренная скала)	1,5...1,7	1,0...1,1

Время рабочего цикла одноковшового экскаватора приводится в технических характеристиках машин или может быть определено по формуле .

Для многоковшовых экскаваторов производительность, м3/ч, определяется по формуле

,

где q — вместимость ковша, л;

n — число ссыпок (разгрузов) ковшей за 1 мин;

n = zкnр — для роторных экскаваторов.

Здесь zк — число ковшей на роторе;

nр — частота вращения ротора, 1/мин.

 — для цепных экскаваторов,

где vц — линейная скорость ковшей цепи, м/мин;

tк — шаг расстановки ковшей, м.

3. расчет машин на устойчивость

Показателем устойчивости машины является коэффициент устойчивости, представляющий отношение моментов удерживающих к моментам опрокидывающим,

.

Кроме этого возможны случаи утраты способности работать — протаскивание машины, потеря способности передвигаться.

Бульдозер

Рассмотрим транспортный режим машины в двух случаях:

— движение на подъем;

— движение на площадке с углом крена.

В первом случае (рис. 7,а) силы веса машины раскладываем на вертикальную составляющую Gв = Gмcosa и на горизонтальную составляющую Gг = Gмsina.

Сила Gг содействует опрокидыванию машины относительно точки А, а сила Gв удерживает ее в равновесии.

Определим критический угол подъема площадки, т. е. такое его значение, когда åМуд = åМопр:

Аналогично, при движении на площадке с углом крена b определяем критическое значение угла крена:

Одноковшовый экскаватор

Рассмотрим три случая:

— опрокидывание относительно ребра Т;

— опрокидывание относительно ребра U;

— протаскивание.

Для первого случая , (рис. 8).

Для второго случая .

Для случая протаскивания граничная величина силы Р определяется из условия:

Р ³ GF,

где F — коэффициент сопротивления перемещению затор-

моженного экскаватора.

Следовательно,

Р = G×F.

Рис. 7. Схема к расчету устойчивости машин:

а - при движении на подъем; б - на площадке с углом крена

Рис. 8. Схема к расчету устойчивости одноковшового

экскаватора

Рис. 9. Схема к тяговому расчету

4. тяговый расчет и определение

мощности двигателя

4.1. Тяговый расчет

Определим силы сопротивления, возникающие при работе машин.

Рассмотрим случай работы бульдозера и скрепера на горизонтальном участке (рис. 9).

При этом на машину действуют силы:

— веса машины Gм;

— сопротивления на рабочем органе Рр. о;

— сопротивления передвижению машины Рf;

— тяги Т;

— реакции грунта на ходовом оборудовании R.

На основании уравнений статики:

åХ = 0; Рf + Рр. о - Т = 0; Рf + Рр. о = Т £ Тj; (1)

åУ = 0; Gм - R = 0; R = Gм. (2)

В уравнении (1) написано условие движения машины, т. е. все силы сопротивления меньше силы тяги по сцеплению Тφ.

Значения величин определяются по зависимостям Рf = Gмf, где f — коэффициент сопротивления перемещению (табл. 12).

Таблица 12

Вид поверхности движения	Гусеничный ход	Колесный ход
f	φ	f	φ
Асфальт	0,06	—	0,02	0,7
Сухая грунтовая дорога	0,07	0,9	0,05	0,6
Сухой песок	0,15	0,4	0,2	0,3
Укатанная снежная дорога	0,06	0,6	0,03	0,3
Влажный песок	0,1	0,5	0,16	0,4
Взрыхленный грунт	0,1	0,7	0,18	0,4

Сила тяги по сцеплению Тj = Gмj,