книги / Одноковшовые погрузчики
..pdfвиях в процессе внедрения ковша, зачерпывании крупнокусковых грузов и т.п. Эти нагрузки учитывают в расчетах на прочность узлов оборудования.
Аварийные нагрузки возникают при грубых нарушениях условий эксплуатации. Вероятность их возникновения мала, и в расчетах их не учитывают.
Погрузочное оборудование и базовое шасси рассчитывают на прочность по внешним нагрузкам, условно приложенным к режущей кромке основного ковша при неблагоприятном сочетании горизонтальных и вертикальных сил, возникающих при сопротивлениях во время работы. Это позволяет, с одной стороны, смоделировать самый тяжелый вариант нагружения системы, а с другой – применить для расчета с запасом плоские статистически определимые расчетные схемы. Боковые составляющие нагрузок не вводим в расчетную схему, так как обычно вероятность их появления невелика. Принимается, что погрузчик работает на горизонтальной площадке, ковш перед внедрением находится внизу и днище у него наклонено под углом 5° к опорной площадке.
Основными расчетными схемами для прочностных расчетов являются:
Первая схема. Удар в труднопреодолимое препятствие краем ковша при внедрении погрузчика, движущегося по горизонтальной поверхности при запертых гидроцилиндрах рабочего оборудования (рис. 13, а).
Вторая схема. Внедрение краем ковша в массу материала с вывешиванием погрузчика ковшовыми гидроцилиндрами относительно передних колес на горизонтальной площадке
(рис. 13, б).
Третья схема. Заглубление краем ковша при движении вперед и вывешивание погрузчика на режущей кромке и задних колесах машины стреловыми гидроцилиндрами на горизонтальной площадке (рис. 13, в).
41
а
б
в
Рис. 13. Действие сил на ковш погрузчика
Рассмотрим три варианта расчетной схемы с точки зрения определения нагрузок Rх и Ry и усилий в элементах рабочего оборудования.
Первая расчетная схема соответствует моменту удара в препятствие на начальном этапе внедрения ковша в штабель материала или при выполнении бульдозерных работ. Внешняя нагрузка воспринимается крайним зубом ковша, и сила Rx действует по его оси. Горизонтальное усилие определяется силой тяги, массой машины и скоростью движения. Условно можно считать, что она складывается из силы тяги трактора и дополнительного динамического усилия (см. рис. 13, а):
R =T + |
υp |
C mп |
−W , |
(82) |
|
|
|
||||
x |
сц |
3,6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
42
где Тсц – тяговое усилие погрузчика по сцеплению, кН; υр – рабочая скорость, υр = 3,5 км/ч; С – приведенная жесткость металлоконструкции и препятствия; mп – масса погрузчика, т; W1 – сопротивление передвижению, кН,
W1 =Gп f , |
(83) |
где Gп – эксплуатационный вес погрузчика, кН; f – коэффициент сопротивления передвижению, для пневмоколесных ма-
шин, f = 0,03…0,04.
Тяговое усилие, кН, и сопротивление передвижению:
Тсц =Gп ϕ, |
(84) |
где Gп – эксплуатационный вес погрузчика, кН; φ – коэффициент сцепления движителей, φ = 0,6…0,8.
Приведенная жесткость металлоконструкций рабочего оборудования и труднопреодолимого препятствия, кН:
C = |
CмCп |
, |
(85) |
|
|||
|
См +Сп |
|
где Сп – жесткость препятствия составляет, например, для кирпичной кладки сечением 2700 см2 или железобетонного столба сечением 400 см2 (10…12)·103 кН/м; См – жесткость металлоконструкции, кН/м, ориентировочно определяется по рекомендациям ВНИИстройдормаша:
См = K Gп, |
(86) |
где K – коэффициент, составляющий 0,1 на 1 кН веса машины; Gп – вес погрузчика, Gп = 205,8 кН.
Вертикальная сила в этом положении не учитывается. Вторая расчетная схема. Вертикальная и горизонталь-
ная силы приложены по оси зуба или на режущей кромке на расстоянии 1/4 ширины основного ковша, установленного в положении внедрения. Вертикальную силу, кН, определяют по устойчивости погрузчика для случая, когда стрела не опира-
43
ется башмаками на грунт и равна выглубляющему усилию по ковшовым гидроцилиндрам (см. рис. 13, б).
Ry = |
Gбт b −Gобор а |
, |
(87) |
|
l |
||||
|
|
|
где b – расстояние по горизонтали от центра тяжести машины до передней точки опоры, м; а – расстояние по горизонтали от центра тяжести машины до передней точки опоры, м; l – расстояние от передней точки опоры до кромки ковша, м; Gбт – вес базового трактора, кН; Gобор – вес погрузочного оборудования, кН.
Рис. 14. Вертикальное усилие на ковше
Горизонтальная сила Rх, кН, устанавливается по сцеплению с учетом вертикальной силы:
Rx =(Gп + Ry ) ϕ, |
(88) |
где ϕ – коэффициент сцепления движителей, ϕ = 0,6…0,8; Gп – вес погрузчика, кН; Ry – вертикальное усилие, кН.
Третья расчетная схема. Вертикальные и горизонтальные силы действуют на расстоянии 1/4 ширины основного ковша.
В качестве вертикальной силы принимают усилие отпора, создаваемое при вывешивании базового шасси на задних колесах, передние шины не касаются опорной поверхности.
44
Вертикальное усилие, кН, определяют из условия равновесия (рис. 14):
|
G |
|
1− |
XТ |
|
+G |
|
1+ |
b |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
бт |
|
|
A |
|
обор |
|
|
|
|
|
|
Ry = |
|
|
|
|
|
|
|
A |
, |
(89) |
||
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где А – колесная база погрузчика, м; b = ХТ – расстояние по горизонтали от центра тяжести до передней точки опоры, м; l – расстояние от передней точки опоры до кромки ковша, м; Gбт – вес базового трактора, кН; Gобор – вес погрузочного оборудования, кН.
Горизонтальная сила, кН, определяется по сцеплению с учетом вертикальной силы, направленной в этом положении вверх:
Rx =(Gп − Ry ) ϕ, |
(90) |
где ϕ – коэффициент сцепления движителей, ϕ = 0,6…0,8; Gп – вес погрузчика, кН; Ry – вертикальное усилие, кН.
3.9. Прочностной расчет элементов конструкции
3.9.1. Расчет ковша
При расчете ковша (рис. 15) рассматривается прочность козырька ковша и узла крепления бруса к стреле. Узел крепления ковша к стреле конструктивно состоит из кронштейна, привариваемого к брусу ковша, и пальцев, соединяющих кронштейн и стрелу. Прочность пальцев считается достаточной при одновременном выполнении двух условий: по касательным напряжениям на срез и нормальным напряжениям на смятие. Тело кронштейна подвергается расчету на растяжение по усилиям, выводящим из строя пальцы узла крепления. В сварном соединении кронштейна и задней балки рассчитывается длина и катет сварного шва.
45
Но поскольку ковш – это элемент, при расчете которого возникают значительные трудности, в основном при решении систем уравнений, описывающих деформации многократно статически неопределимых систем, то расчеты ведутся приближенно. В проекте рассчитывается козырек ковша, причем усилие Ry прикладывается к среднему зубу ковша (или к одному
из средних зубьев при четном их числе). Козырек рассматривается как балка на двух опорах.
В качестве вертикальной силы принимают усилие отпора, создаваемое при вывешивании базового шасси на задних колесах, передние шины не касаются опорной поверхности.
Определяются реакции опор RA и RB из уравнения мо-
ментов: |
|
|
|
∑МА = 0. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(91) |
||||||||
Определяется изгибающий момент Миз, кН·м, при условии |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
0 ≤ z1 ≤ 1,55, |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
Mиз = −RA Z1. |
|
|
|
|
(92) |
||||||||
Строится эпюра нагружения ковша. |
|
|
|
|
|||||||||||||
Максимальное напряжение от изгиба козырька σи, |
кН/м2, |
||||||||||||||||
определяется зависимостью |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
М |
|
1 |
R |
|
B |
|
3 |
|
Ry |
|
|
|||
σ |
и |
= |
из |
= |
4 |
|
y |
|
к |
≈ |
|
, |
(93) |
||||
Wк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
1 |
Bк′ |
S |
2 |
|
|
2 |
|
S2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
46 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Wк – момент сопротивления козырька; Вк – ширина ковша погрузчика, м; Bк′ – ширина ковша за вычетом отверстий для
крепления зубьев, м; S – толщина козырька, м; Ry – вертикальное усилие, кН.
Или
σи = Миз , |
|
(94) |
|||
|
Wк |
|
|
||
σи ≤[σВ ], |
|
|
|||
W |
= B′ |
|
S2 |
, |
(95) |
|
|||||
к |
к |
6 |
|
|
где Bк′ – ширина ковша за вычетом отверстий под крепления зубьев, м; S – толщина козырька, м,
Bк′ = Вк −n d, |
(96) |
где n – число зубьев; d – диаметр отверстия, м.
Прочность козырька считается обеспеченной, если расчетное напряжение в козырьке не превышает допускаемых для выбранного материала.
3.9.2. Расчет стрелы
Стрелы и рычажная система рабочего оборудования погрузчика представляют собой существенно-пространственную систему, и ее точный расчет с использованием только плоских расчетных схем невозможен. Поэтому элементы стрелы и рычажной системы рассчитываются по отдельности: кронштейны присоединения гидроцилиндров стрелы, места крепления поперечины, тяга поворота, коромысло в сечении, проходящем через ось вращения. Учет возможности крайнего эксцентричного приложения нагрузки приводит к необходимости рассчитывать на полную нагрузку любую из половин всей рычажной системы.
47
Один из приближенных инженерных вариантов расчета стрелы и рычажной системы (рис. 16) основан на следующем подходе: в каждом из трех расчетных положений при соответствующих компонентах Rх и Rу система рассчитывается на максимальное усилие гидроцилиндра подъема стрелы. В этом статически определимом случае подлежат расчету компоненты реакции в узле крепления стрелы Rхс и Rус и усилие гидроцилиндра поворота коромысла Sк.
Все три искомых компонента находятся из стандартных уравнений равновесия – равенства нулю сумм горизонтальных и вертикальных проекций всех действующих сил и их моментов.
Прочность стрелы в месте присоединения кронштейна гидроцилиндров подъема определяется напряжением, возникающим от изгиба, кН/м2:
σи = |
М |
из |
= |
Rxc ( yo − yc ) + Ryc (xo − xc ) |
, |
(97) |
|
|
|
||||
|
Wc |
Wc |
|
|
где xо, xо, yо, yс – координаты точек О и С соответственно, м; Wc – момент сопротивления сечения стрелы в месте крепления гидроцилиндра, м3.
Рис. 16. Схема к определению усилий в элементах стрелы и рычажной системы погрузчика
48
Поперечина в месте крепления ее к стреле рассчитывается на максимальное усилие гидроцилиндра подъема стрелы, кН/м2:
σи = |
Sc L |
, |
(98) |
|
W |
||||
|
|
|
где Sc – максимальное усилие гидроцилиндра подъема стрелы, кН; L – длина поперечины, м; W – момент сопротивления сечения поперечины в месте крепления к стреле, м3.
Коромысло ВK рассчитывается по сечению, проходящему через ось вращения в т. Е. Максимальные напряжения, возникающие от изгиба, кН/м2, определяются следующим образом:
σи = |
Миз |
= |
Sк LKE |
, |
(99) |
|
|
||||
|
W |
W |
|
где Миз – максимальный изгибающий момент в точке Е коромысла; W – момент сопротивления сечения коромысла, проходящего через ось вращения, м3; Sк – максимальное усилие гидроцилиндра поворота ковша, кН; LKE – максимальное плечо приложения усилия гидроцилиндра, м.
Тяга поворота АВ проверяется на максимальные усилия растяжения-сжатия, кН/м2:
σр = |
Р |
= |
Sк LKE |
, |
(100) |
|
|
||||
|
F |
|
F LBE |
|
где Р – усилие в тяги, кН; F – площадь поперечного сечения тяги, м2; LВЕ – длина участка коромысла до оси вращения, м.
В случае конструктивных особенностей рычажной системы, приводящих к возникновению различных видов напряжений, их суммируют по третьей теории прочности:
σ = (σи ±σр )2 +3τк2 , |
(101) |
где τк – касательные напряжения; σи – |
напряжение изгиба, |
кН/м2; σр – напряжение растяжения-сжатия, кН/м2.
49
Поскольку стрела представляет собой сложную конструкцию, при расчете которой возникают значительные трудности, в основном при решении систем уравнений, описывающих деформации многократно статически неопределимых систем, то расчеты рекомендуется производить с помощью программ автоматического проектирования (САПР).
3.10.Производительность погрузчика
Взависимости от учитываемых факторов, определяющих режим работы погрузчиков, различаются техническая и эксплуатационная производительность. Технической производительностью погрузчика называется производительность, которая может быть достигнута в данных производственных условиях при правильно выбранном рабочем процессе машинистом, овладевшим приемами и методами управления погрузчика при режиме его использования, в котором допускаются только технологические перерывы в работе.
Техническая производительность (за час чистой работы) погрузчика (т/ч либо м3/ч), оборудованного ковшами различной емкости, определяется по формуле
Птех = 60V |
|
Kв Kн γ |
(102) |
||
|
|
Тц |
|||
|
|
|
|
||
или |
|
|
|
|
|
Птех = 60V |
|
Kв Kн |
, |
(103) |
|
|
|
||||
|
|
|
Тц |
|
где V – геометрическая емкость ковша, м3; Kн – коэффициент наполнения ковша; Kв – средний коэффициент использования погрузчика по времени, учитывающий технологические перерывы в работе погрузчика; γ – объемный вес перегружаемых материалов, γ = 1,6 т/м3; Тц – продолжительность полного рабочего цикла в мин.
50