2.4 Статический расчет бульдозера

В задачу статического расчета бульдозера входит определение отклонения точки приложения результирующих сил, действующих на движитель, от середины опорной базы агрегата, максимального давления на границах опорного контура движителя и коэффициента устойчивости при различных режимах работы.

Положение центра давления определяем для трех положений бульдозера: I - на горизонтальной площадке с поднятым отвалом; 2 - на горизонтальной площадке в процессе отделения от масси­ва стружки оптимальной толщины при максимально возможном объ­еме грунта перед отвалом; 3 - во время движения в горизонталь­ной траншее с перемещением максимально допустимого объема грунта без резания.

Отклонение центра давления от середины опорной поверхности для обеспечения устойчивости машины и равномерности износа деталей движителя не должно превышать 1/6 ее длины.

Необходимо определить максимальное статическое давление на передней и задней опорных кромках гусениц или на переднем и заднем колесах при следующих положениях бульдозера: с поднятым отвалом на предельном уклоне или подъеме (не менее 20 %); в процессе резания грунта при движении под наибольший допустимый ук­лон с максимально возможным объемом призмы волочения перед отвалом; при движении в траншее на наибольший допустимый подъем (не менее 15°) с максимальным объемом грунта; в процессе реза­ния грунта на горизонтальной поверхности, максимальной загрузке при подъеме и опускании отвала.

Во всех случаях смещение центра давления не должно приво­дить к отрыву от грунта передней или задней кромок гусениц или соответствующих колес машины.

Смещение центра давления по условиям статики в соответ­ствии со схемой, показанной на рис. 4, определяется уравнением

Х = (G _б ℓ ₁ + R _Z ℓ ₂ – R _х h _R ) / N ,

где G _б - эксплуатационный вес бульдозера; G _б = G _г + q _б1, Н; R_Z и R _х - соответственно нормальная и касательная составля­ющие сопротивления грунта копанию отвалом бульдозера, Н; N - суммарная опорная реакция грунта; ℓ ₁ , ℓ ₂ , h _R - плечи сил, м.

а

б

Рис. 4 Схемы для определения центра давления

При определении центра давления тяговое усилие Т и ка­сательную составляющую R _х принимают

Т = R _х = К _т Т _{н б} ,

где К_т - коэффициент использования тягового усилия; К _т = 0,8;

Т _{н б} = G _б φ_сц , Н.

Вертикальная составляющая R_Z может быть определена по зависимости

R_Z = R _х tq γ ,

где γ - угол наклона равнодействующей сопротивления грунта копанию R к горизонту, град. (при копании грунта плотной структуры γ = 17° [3], при копании грунта в разрыхленном состоянии и перемещении его в траншее

γ = 0).

Расстояние от режущей кромки отвала до точки приложения равнодей-

ствующей силы R определяется по эмпирическим за­висимостям: для

грунта плотной структуры h _R = 0,17 Н; для рыхлых грунтов и перемещения их в траншее h _R = 0,27 Н, где Н - высота отвала без козырька.

Линейные параметры ℓ ₁ и ℓ ₂ принимаются конструктивно по ранее выполненной масштабной схеме бульдозера (см. приложение). .

Общая устойчивость бульдозера проверяется для двух случаев: упор отвала в препятствие (рис. 5, а); подъем отвала (рис. 5,6). Проверка осуществляется по условию неопрокидывания вокруг заднего О₁ или переднего О₂ ребра. Коэффициент устойчивос­ти должен быть не менее 1,5. Относительно точки О₁ на буль­дозер действуют удерживающие моменты, направленные против часовой стрелки, а опрокидывающие - по часовой стрелке. Отно­сительно точки О₂ действуют удерживающие моменты, направлен­ные по часовой стрелке, а опрокидывающие - против часовой стрел­ки.

При расчете общей устойчивости учитываются следующие внеш­ние силы: R ₀ - вертикальная реакция грунта, действующая на кромку отвала при вывешивании задней или передней части тракто­ра; R _х - касательная составляющая сопротивления грунта копа­нию; R ₀₁, R _{0 2} - вертикальные реакции грунта на заднем и переднем ребрах опрокидывания трактора; F_{с ц} - сила сцепления движителя с грунтом; G _т - сила тяжести (вес) трактора.

Внутренними силами для системы "трактор - бульдозерное обо­рудование" являются: s - усилие, развиваемое гидроцилиндра­ми управления отвалом; N _ц , Р _ц - вертикальная и горизон­тальная реакции в цапфах крепления толкающих брусьев.

Усилия R ₀, R _х и s можно считать пересекающимися в точке 0, поэтому относительно нее в вертикально-продольной плоскости момента не создают. Кроме того, поскольку толкающие брусья расположены под

а

б

Рис. 5 Схемы для определения устойчивости бульдозера:

а - при вывешивании передней части; б - при вывешивании задней части

небольшим углом к горизонту, с доста­точным приближением можно считать, что R _х = 2 Р _ц . Тогда для первого случая (рис. 5, а)

G _т ℓ ₁ G _т ℓ ₁

К _уст = ——————— = ——————— .

2 s ℓ ₂ + R _х r 2 s ℓ ₂ + 2 Р_ц r

Для второго случая (рис. 5, б)

G _т ℓ ₁ G _т ℓ ₁

К _уст = ——————— = ———————— ,

2 s ℓ ₂ + 2 Р_ц r 2 s ℓ ₂ + R _х r

где ℓ ₁, ℓ ₂ и r – соответственно плечи сил G _т , s и Р_ц .

На основе проведенных расчетов необходимо сделать вывод о работоспособности машины по условиям общей устойчивости.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА ОБОРУДОВАНИЕ БУЛЬДОЗЕРА

Необходимо определить ударную нагрузку на рабочее оборудо­вание бульдозера при встрече отвала с препятствием.

Расчетное положение: внезапный упор отвала средней точкой в непреодолимое препятствие на горизонтальном участке в процессе резания грунта при номинальной скорости, соответствующей первой передаче, и запертом положении механизма подъема отвала, когда режущая кромка ножа заглублена на толщину срезаемого слоя грун­та. На отвал действует только горизонтальное усилие, определя­емое по формуле

Р _рас = Р _{с т} + Р _д ,

где Р _д - динамическая нагрузка, возникающая при внезапном стопорении машины, Н; Р _{с т} - нагрузка по избыточной силе тяги по сцеплению;

Р _{с т} = φ _{с ц. mах} ( G _т + q _б ) ,

где φ _{с ц. mах} - наибольшее значение коэффициента сцепления гусениц (колес) с грунтом, зависящее от состояния поверхности и рода грунта, сос­тояния протектора на шипах или грунтозацепах гусениц (принима­ется по справочным данным [10]).

Составляющие реакции в шарнирах крепления отвала, а также реакции s на штоках гидроцилиндров управления (рис. 6, в) определяются из условия равновесия рабочего оборудования.

Рассматривая рычажно-шарнирную систему в вертикальной плоскости, из условия равенства нулю суммы моментов сил отно­сительно точки О (Σ М₀ = 0) определяем усилия на штоках порш­ней:

Р _рас r _р + q _б r _б

S = ————————— ,

2 r _s

где q _б - сила тяжести всего навесного оборудования бульдо­зера, Н (принимается по справочнику); r _р , r _б и r_s - плечи соответствующих сил относительно точки О, Н (принимаются кон­структивно). Из условия Σ Х=0 определяем

Р _рас С 0ѕ α - q _б ѕin α + 2 s С 0ѕ γ

R _х = —————————————————— .

2

Из условия Σ Z = 0 определяем

Р _рас ѕin α + q _б С 0ѕ α - 2 s ѕin γ

R _Z = —————————————————— .

2

Рис. 6 Схема для определения усилий на элементы конструкций бульдозера

Усилие в подкосе R _п находим из условия равенства нулю суммы моментов сил относительно точки А (шарнирного сочленения отвала с толкающими брусьями):

Р _рас r ^'_р + q _о r^'_о

R _n = ————————— ,

2 r^'_п

где q _о - сила тяжести отвала (без толкателей), Н; r ^'_р , r^'_о и r^'_п - плечи

соответствующих сил относительно точки А, м.

Из условия Σ Х = 0 и Σ Z = 0 могут быть определены составляющие реакции в точке А: R _{A Z} и R _{A х} .

Рассматривая рамную конструкцию, принимаем в первом приб­лижении, что через кронштейны 2 толкающего бруса I (рис. 6, б) на последний передается половина составляющей усилия 0,5 s С 0ѕ γ, а другая половина через шарниры ( В₁ и В₂ ) передается непосредственно на отвал.

Составляющей q _о ѕin α силы тяжес­ти отвала из-за ее незначительности пренебрегаем. На рис. 7 представлены схемы рамных конструкций отвала с толкающими бру­сьями. Так как действия сил независимы, а рамы П - образной конструкции шарнирно закреплены, определим реакции и моменты

Рис. 7 Определение нагрузок на оборудование бульдозера при различных нагружениях отвала

под влиянием:

1) Симметрично приложенной нагрузки (рис. 7 а)

Р _рас С 0ѕ α ;

Р _рас С 0ѕ α

R^' _{1 х} = R^' _{2 х} = —————— .

2

Моменты в углах рамы

Р _рас С 0ѕ α 3

М ^'_q = М ^' _с = —————— . —————— ,

4 2 ( 2 К + 3 )

где К - коэффициент, зависящий от параметров рамы;

J _L ℓ

К = ———— ,

J _ℓ L

где J _L , J _ℓ - моменты инерции соответственно сечений отвала и толкающего бруса, которые определяются обычным методами.

Момент сечения по линии действия силы

Р _рас С 0ѕ α L

М ^' _р = ———————— + М ^'_q .

4

Поперечные реакции

М ^'_q

R^' _{1 у} = - R^' _{2 у} = ——— ;

ℓ

2) Асимметричного приложения нагрузки (рис. 7. б)

0,5 s С 0ѕ γ ;

0,5 s С 0ѕ γ b ( L - b ) 3

М ''_q = М ''_с = — ——————————— ————— . L 2 (2 К + 3)

Момент по линии действия силы

0,5 s С 0ѕ γ ( L - b )

М '' _р = ——————————— + М ''_q .

L

Продольные и поперечные реакции

0,5 s С 0ѕ γ ( L - b )

R^{' '}_{1 х} = ——————————— ;

L

0,5 s С 0ѕ γ b

R^{' '} _{2 х} = ———————— ;

L

М ''_q

R^{' '}_{1 у} = - R^{' '} _{2 у} = ———— ;

ℓ

3) Действия момента М _s = 0,5 s С 0ѕ γ b (рис. 7, в).

Значения моментов в углах рамы определяются по формулам:

ℓ ² ₁ 3

М ''^'_q = - М _s [ 1 + К (1 - ——— ) ] ————— + М _s ;

ℓ ² 2 ( 2 К + 3 )

ℓ ² ₁ 3

М ''^' _с = - М _s [ 1 + К (1 - ———) ] ————— ;

ℓ ² 2 ( 2 К + 3 )

М ''^' _с

R^''' _{1 у} = R^'''_{2 у} = ——— .

ℓ

Продольные реакции будут иметь те же значения, что и на схеме (рис. 7, б) ; в правом шарнире R^{' '} _{2 х} , а в левом шарнире R^{' '}_{1 х} .

Зная расчетное усилие и действующие на элементы отвала в любом сечении силы и моменты как в вертикальной плоскости, так и в плоскости рамы, определяем результирующие напряжения в опасных сечениях этих элементов, которые не должны быть выше допускаемых напряжений для принятого металла.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

РАБОТЫ БУЛЬДОЗЕРОВ

Технический уровень проектирования бульдозеров определяется прежде всего технико-экономическими показателями их работы. Среди наиболее важных показателей, определяющих потребительские качества этих агрегатов, являются производительность и себестоимость единицы разрабатываемого грунта. Их определение является заключительной стадией выполнения курсового проекта и требует знаний по основным вопросам экономики создания и эксплуатации строительной и дорожной техники.

4.1 Определение производительности бульдозеров

Часовая эксплуатационная производительность бульдозеров

П _э = П _т К _т ,

где П _т - часовая техническая производительность, м³ / ч;

К _т - коэффициент перехода от технической производительности к эксплуатационной (принимается равным 0,6 ).

Техническая производительность бульдозеров при копании и транспортировке грунта определяется по формуле [1]:

П _т = 3600 V К _у К _с К _к / Т _ц ,

где V - объем призмы волочения, накапливающейся перед отвалом в процессе копания и транспортирования грунта, м³ ; К _у - коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на производительность (его значение приведено в табл. 4); К _с - коэффициент сохранения грунта в процессе его транспортировки (его значение определяют по формуле: К _с = 1 – 0,005 S _n ;

S _n – расстояние, на которое транспортируется призма грунта, м); К _к - коэффициент, учитывающий квалификацию оператора; Т _ц - продолжительность одного рабочего цикла.

Объем призмы волочения определяется из предположения, что ее форма представляет трехгранную призму, передняя грань кото­рой наклонена к горизонту под углом естественного откоса φ_о. В этом случае ее объем

V ≈ В Н_о² / (2 К_р tg φ_о) ,

где В - ширина отвала, м; Н - высота отвала, м; К_р - коэффициент разрыхления грунта; Кр = 1,0...1,35 (значение φ_о принимается по справочнику [10]).

Таблица 4. Значения коэффициента К _у, учитывающего влияние

уклона (подъема) местности на производительность бульдозеров

Уклон (подъем), %	К у
Подъем: 0. ..5 5...10 10 .1.5	I…0,67 0,67. ..0,5 0,5. ..0,4
Уклон: 0. ..5 5. ..10 10.. 15 15...20	1,0. ..I.33 : 1,33 .. 1,94 1,94. ..2,25 2,25...2,68

Продолжительность одного рабочего цикла

3,6 S _р 3,6 S _х

Т_ц = ———— + ———— + t _о + 2 t _п ,

υ _р υ _х

где S _р и S _х - длина рабочего и холостого ходов, м ; υ _р и υ _х - средние скорости рабочего и холостого ходов, км/ч; t _о - суммарное время остановок трактора для переключения пе­редач и маневра отвалом (табл.5); t _п - время на разворот бульдо­зера в конце участка (при продольно-поворотном способе работы t _п ≈ 10 с ).

Таблица 5. Затраты времени на остановку трактора для переключения

передач и маневра отвалом

Вид трансмиссии	t о , с
С механической трансмиссией и реверсом С гидромеханической трансмиссией при наличии быстродействующего реверса	6.. .10 3

Среднюю скорость рабочего хода υ _р для гусеничных бульдозе­ров обычно принимают равной 2,5...3 км/ч, а холостого υ _х - 9...10 км/ч. Более точные значения этих параметров принимаются по технической характеристике базового трактора.