2. Расчет одноковшовых гидравлических

ЭКСКАВАТОРОВ

0. 2.1 Цели и задачи общего расчета. Исходные данные

В результате выполнения общего расчета экскаватора должны быть определены его основные параметры, которые, имея самостоятельное значение, как составная часть технического зада­ния на проектирование экскаватора, используются также для выбора по ним силового и другого оборудования (двигателей, гидромашин и т. п.) и как исходные для прочностных и других видов расчетов.

Общим расчетом определяются основные параметры базовой части экскаватора, размеры элементов рабочего оборудования, рабочие размеры экскаватора, расчетные нагрузки, силовые и кинематические характеристики исполнительных и передаточных механизмов, продолжительность выполнения операций и рабочего цикла в целом, теоретическая производительность экскаватора. В состав общего расчета включается также выбор гидроцилин­дров, гидромоторов и насосов (для гидравлических экскаваторов), выбор двигателя.

2.2 Исходные данные для проектирования

В качестве исходных данных для расчета обычно используют требуемые технологические показатели машины и расчетные характеристики разрабатываемых грунтов.

Рабочее оборудование – обратная лопата

Категория разрабатываемого грунта ……..

Вместимость ковша q, м³

Производительность эксплуатационная П_э, м³/см

(включается, если не задана величина q)

Наибольшая глубина копания Н_к, м

Радиус копания (на уровне стоянки экскаватора) R_к, м

Вид грунта -

Удельное сопротивление грунта копанию К_к, МПа

Плотность грунта ρ, кг/м³

Ходовое оборудование - гусеничное или пневмоколесное

По этим исходным данным на первом этапе общего расчета определяют ключевые параметры  вместимость ковша и массу экскаватора, через которые в последующем расчете может быть определена часть основных параметров. Остальные параметры определяют, исходя из физического существа рабочего процесса экскаватора по условиям обеспечения его работы в заданных режимах.

2.3 Определение вместимости ковша, массы и основных размеров

базовой части экскаватора

2.3.1 Вместимость ковша

Вместимость ковша задают на стадии проектирования или определяют методами оптимизации, используемыми при разработке параметрических рядов экскаваторов, положенных в основу построения стандартов на их основные параметры. В соответствии с этими стандартами на рис.7 приведены графики зависимостей вместимости ковша q_э от обобщенного параметра Н_к R _к (Н_к и R _к - максимальные кинематические глубина или высота и радиус копания) для некоторых видов рабочего оборудования гидравлических (кривые 1, 2 и 4) и канатных (кривые 3 и 5) экскаваторов, которые в первом приближении можно предположить линейными [1].

Если в задании приведена сменная эксплуатационная производительность П _э , м³/см, то ориентировочно вместимость ковша можно вычислить из выражения

q = П_э t _ц k _рых / 3600 t _см k _н k _в , (1)

где t _ц – продолжительность цикла, с; принимается для строительных экскаваторов с П_э ≤ 1500 м³ /см; t _ц = 16…20 с;

t _см - продолжительность смены, ч;

k _рых и k _н - соответственно, коэффициенты разрыхления грунта и наполнения ковша (табл. 2); k _в - коэффициент использования машины по времени в течение смены, принимается k _в = 0,8…0,85.

Рис. 7. Графики зависимостей вместимости ковша от обобщенного параметра Н_к R _к для гидравлических экскаваторов с различным оборудованием:

1 – грейфера; 2 – обратной лопаты; 3 – канатных прямых лопат; 4 – прямой лопаты; 5 – драглайна

Таблица 2. Значения удельного сопротивления грунта копанию k _к , коэффициентов разрыхления грунта k _рых и наполнения ковша k _н [3]

Кате- гория грунта	Вид грунта	k к , кПа	k рых	k н
І	Песок, супесь, мягкий и разрыхленный суглинок	16…80	1,08…1,1	0,95…1,0
ІІ	Суглинок без включений, мягкая, влажная и разрыхленная глина	70…160	1,1…1,2	1,0…1,05
ІІІ	Суглинок плотный, глина средняя, крепкая	120…250	1,24…1,3	1,1…1,2
ІV	Суглинок крепкий со щебнем, глина крепкая и очень крепкая	220…360	1,26…1,32	1,1…1,2

2.3.2 Масса экскаватора

Все новые основные зависимости и эмпирические уравнения по определению основных параметров экскаваторов базируются на рабочей массе экскаватора m_э. Ориентировочно на стадии предварительных расчетов масса экскаватора (т) может быть определена по закону подобия из уравнения

q_э

m_э = ——— m_эа = К_у q_{э ,} (2)

q_эа

где m_э , m_эа – масса проектируемого экскаватора и прототипа (экскаватора- аналога, ближайшего по значению q с аналогичным рабочим оборудованием); q_э , q_эа – вместимости ковша проектируемого экскаватора и прототипа;

К_у = m_эа / q_эа - удельная масса, т/м³, которая может быть принята по справочным данным или найдена по массе m_эа и вместимости ковша q_эа экскаватора прототипа.

При известной величине q массу экскаватора можно также определить из уравнения [1]

m_э = m _уд q _э L _к ,

где m _д – удельная масса, зависящая от типа ходового устройства и исполнения рабочего оборудования, для гидравлических гусеничных экскаваторов с цевочным зацеплением гусениц в среднем m _уд = 4,25 т/м⁴ , с гребневым зацеплением m _уд = 2,3 ... 4,1 т/м⁴ , для пневмоколесных экскаваторов m _уд = 4,5… 5,5 т/м⁴; L _к – рабочий размер, принимаемый равным максимальной глубине копания Н _к (м) для обратных лопат и максимальному радиусу копания R _к (м) для прямых лопат.

Отдельные авторы рекомендуют определять массу экскаватора, при известной величине q , из условия обеспечения запаса по сцеплению ходового устройства с грунтом при копании поворотом ковша на уровне стоянки машины. При этом принимается стружка срезаемого грунта максимальной толщины h _mах , касательные составляющие силы копания Р₀₁ горизонтальные.

Для такого случая

m_э = Р_{01 mах} / g μ , (3)

где μ = 0,7 – коэффициент сцепления ходового устройства с грунтом;

g = 9,81 м/с².

Максимальное сопротивление грунта копанию при h _mах (φ = φ ₀ = 55^о)

Р_{01 mах} = k _к R _к b_к (1 – соs φ ₀ ) ,

где k _к = 0,20…0,25 МПа – удельное сопротивление копанию (для грунта с С = 12) ; ______

R _к ≈ (1,4…1,6) √ q / b_к - радиус, описываемый режущей кромкой зуба

ковша, м ;

₃ ___

b_к ≈ 1,5 √ q - 0,26 - ширина по внутренним стенкам ковша, м;

φ – угол поворота ковша, град.

Возможно также, что исходные данные задаются только вме­стимостью ковша, или только массой экскаватора, или же двумя этими параметрами. Приведенные графики и корреляционные зависимости позволяют по одному параметру вычислить второй, а также определить параметр Н_к R _к как некоторую геометрическую характеристику забоя. Для вычисления каждого из множителей, входящих в это произведение, можно использовать отношение R _к / Н_к по данным аналогов.

Окончательно рабочие размеры определятся после того, как будут известны размеры элементов рабочего оборудования и установлены их угловые перемещения.

2.3.3 Основные размеры базовой части экскаватора

Размеры базовой части экскаватора определяются для основного вида рабочего оборудования. У гидравлического экскаватора таковым является обратная лопата.

Основные размеры экскаваторных движителей назначаются из условий обеспечения их передвижения в заданных режимах, а также устойчивого равновесия при экскавации грунта.

Гусеничное ходовое оборудование применяется обычно при q ≥ 0,8… 1,0 м³, хотя в отечественной и зарубежной практике известны исключения. Для гусеничных движителей основными размерами являются продольная база ι_г –расстояние между осями ведущей звездочки и натяжного колеса, колея К и ширина гусениц b_г (рис. 8).

Рис. 8. Схема основных размеров базовой части

одноковшового экскаватора.

Продольная база экскаватора определяется (м) из уравнения

₃ ____

ι_г = К_д √m _з (4)

где К_д = 1,1 – для экскаваторов с гусеничным движителем;

m _з – масса экскаватора, т.

По условиям равной устойчивости экскаватора при положении рабочего оборудования вдоль и поперек гусениц тележки базу и колею желательно назначать одинаковыми. В практике проектирования гидравлических экскаваторов отношение колеи К экскаватора к продольной базе ι_г принимают равными а = К/ ι_г = 0,76 … 0,82.

База ι_г и ширина гусеницы b_г должны быть достаточными, для того чтобы среднее давление гусениц на грунт не превышало предельно допустимое для расчетного грунта значение [р_ср], т.е.

Р _ср = m_з g / 2 ι_г b_г ≤ [р_ср], (5)

₃_____

где g = 9,81 м/ с² ; b_г = 0,22 √m _з g - ширина гусеницы;

[р_ср] = 0,04 … 0,05 МПа - для экскаваторов ІІ и ІІІ размерных групп; 0,05 … 0,06 для ІV размерной группы и 0,07 … 0,09 МПа для V и VІ размерных групп.

Диаметр опорно-поворотного круга определяется по эмпирической формуле ₃ ___

D _опу = (0,45… 0,47) √m _з .

Меньшие значения коэффициента пропорциональности соот­ветствуют меньшим массам экскаватора.

Выбранные размеры К и b_г проверяют на возможность вписывания опорно-поворотного устройства (ОПУ) в пространстве между гусеницами с гарантированными зазорами ∆ = 100… 150 мм с каждой его стороны. Эти требования удовлетворяются при соблюдении следующих соотношений:

_________________________

К ≥ D _опу / 2 + ∆ √ [(D _опу / 2)] ² ₊ m_з g а / 2 [р_ср]

m_з g а / (2 К [р_ср] ) ≤ b_г ≤ К – (D _опу _ 2 ∆); ι_г = К / а . (6)

Окончательно размер D_опу определяют при прочностном расчете из условия обеспе­чения передачи нагрузок от верхней поворотной части экскава­тора на нижнюю раму и гусеничную тележку.

Другие размеры гусеничных тележек назначают по подобию с наиболее прогрессивными моделями экскаваторов проектируе­мого типа или определяют по эмпирическим уравнениям в зависимости от массы экскаватора.

Высота гусеничного хода (м) может быть определена из выражения

₃ ____ _{__________}

Н _г ≈ 0,3 √ m _з , (7)

или назначена по подобию и в соответствии с массой экскаватора [6].

Просвет под поворотной платформой зависит от принятой габаритной высоты гусениц и определяется из выражения

К_л = (1,25…1,30) Н_г . (8)

Высота балок платформы (м), принимается равной

_{3 --------}

h _пл = (0,15…0,19) √ m _з . (9)

Раз­меры поворотной платформы определяют конструктивной прора­боткой по условиям размещения на ней силового оборудования, насосов, аппаратов и других устройств, обеспечивающих функ­ционирование гидравлической системы экскавато­ров, кабины управления, стоек или проушин для крепления стрелы и других устройств.

Габаритную ширину поворотной платформы В_{п л} и базовой части В _х ограничивают габаритной шириной железнодорожного подвижного состава, равной 3,25 м.

Радиус хвостовой части поворотной платформы (м) должен быть не более

r_хв ≤ 0,5 ι_г + ι₁ + (Н _r + ∆) сtg ρ , (10)

где ι₁ = (0,6…0,7) – расстояние от опорного контура экскаватора до подошвы отвала грунта, м; ∆ = 0,15…0,25 – зазор, м; ρ = 45^о – угол естественного откоса отвала грунта.

Пневмоколесное ходовое оборудование. Пневмоколесный движитель применяется обычно на экскавато­рах с вместимостью ковша q = 0, 5... 1,0 м³, но также могут быть и имеют место исключения.

Базовая часть одноковшовых экскаваторов на пневмоколесном ходу отличается лишь движителем, а поэтому и высотным положени­ем поворотной платформы (рис. 9).

Рис. 9. Схема к определению основных размеров базовой части

пневмоколесного одноковшового гидравлического экскаватора.

Диаметр колес и размеры пневматических шин определяют по возможной максимальной нагрузке на колесо (когда выносные опо­ры не принимают участия в работе) для двух расчетных положений (рис. 10):

I) при расположении стрелы по продольной оси ма­шины;

2) когда ось стрелы направлена на одно колесо.

Если принять, что нагрузка от ходовой части G _к распре­деляется по колесам равномерно, то полная нагрузка на колесо составит (рис. 10):

Р + G _к М _х М _yо

Р_кол = ——— ± ——— ± ——— , (11)

4 2 К 2 ι _к

где Р – результирующая сила весовых и рабочих нагрузок, при­веденная к центру опорного контура (точка О) путем замены ее вертикальной силой Р, действующей в точке О и моментов в двух плоскостях;

М _х = Р ι sіn β _пч ; М _yо = Р (ι соs β _пч + ι _пч);

ι _пч – смещение центров поворотной и ходовой частей.

На предварительной стадии расчета силу Р, кН, можно принять равной сумме весовой нагрузки от поворотной части экс­каватора 0,64 m _э g и наибольшей силы копания для данной раз­мерной группы экскаватора, т.е.

Р = 0,64 m _э g + Р_{01 mах} .

Рис. 10. Схема к опреде­лению нагрузки на колесо.

Для первого расчетного положения нагрузка на колеса составит

Р + G _к Р(ι + ι _пч) Р + G _к Р (ι + ι _пч)

Р_{коп А,Д} = ——— – ———— ; Р_{коп В,С} = ——— + ———— .

4 2 К 4 2 ι _к

Для второго расчетного положения нагрузка на колесо G составит

m _э g + Р _01mах Р (ι соs β_пч + ι _пч) Р ι sіn β _пч

Р_{кол С} = —————— + ———————— + ————

4 2 ι _к 2К

По максимальному значению Р _кол выбирается типоразмер шины [4, табл. 2.26].

Затем выбранную шину необходимо проверить на прогиб [4, с. 77]

______

y = (0,3 √1 / DВ) Р_mах / p ≤ [ y] = (0,03…0,04) D_к .

______

Нагрузка на баллон Р_mах = 0,12 p √ D_к³ В _ш .

Здесь p – давление воз­духа в камере, Па; D_к, В_ш – наружный диаметр и ширина шины, м.

Наружный диаметр шины без нагрузки, м,

D_к = 2,16 В_ш + d ,

где d – внутренний диа­метр шины (второе число в обозначениях шины), м.

Обычно передние коле­са одношинные, а задние двухшинные.

Продольная база пневмоколесных экскаваторов составляет

₃ ___

ℓ_к = (1,38…1,13) √ m _э , (12)

а поперечная база (колея)

К = (0,85…0,73) ℓ_к . (13)

Здесь коэффициенты пропорциональности соответствуют массам экскаваторов m _э= 10...15 т.

Ось вращения поворотной платформы смещена от середины ходовой тележки к задним колесам на 1 / 6 базового расстояния (рис.9), т.е.

ℓ _пч = ℓ_к / 6 .

Просвет под поворотной платформой

К _п = 1,04 D _к . (14)

Остальные размеры базовой части пневмоколесных экскавато­ров определяются так же, как и для гусеничных.

4. Определение линейных размеров рабочего оборудования

Параметры проектируемого ковша рассчитывают по заданной величине q (м³), используя формулы подобия вида

₃ __

ι = k √ q ,

где ι – общее обозначение определяемого параметра; k – коэффициент подобия.

В работе [5] рекомендуются следующие соотношения между основными размерами (м) ковша (рис. 11)

_{_______ 3} ___{______ _______ 3} __

R ₁ = 1,1 √ q + 0,26; ℓ = 0,8 √ q + 0,2;

₃ __ ₃ __

R_к = 1,25 √ q + 0,25; r₂ = 0,45 √ q + 0,08; _{_____ _______ 3} ___{______ 3} __

В _к = 1,51 √ q - 0,26; r₁ = 0,22 √ q + 0,2;

а / в = 2,0…3,0; α = 48^о…52^о; α₁ = 27^о…32^о;

угол заострения боковых кромок 16…20^о.

Используя эти зависимости, рассчитывают параметры ковша, по которым выполняется его чертеж. Произведение площади боковой поверхности ковша на его ширину В _к должно быть равно q с допустимым отклонением ± 2%.

Рис. 11. Ковш обратной лопаты гидравли­ческого экскаватора.

Линейные размеры рабочего оборудования. В расчетной кинематической модели рабочего оборудования обратная лопата (рис. 12) гидравлического экскаватора стрела, рукоять и ковш отображаются звеньями соответственно ℓ_с, ℓ_р и ℓ_к, являющимися в выбранном масштабе кинематическими дли­нами соответствующих элементов, измеренными по осям концевых шарниров (соединения стрелы с платформой и рукоятью, рукояти со стрелой и ковшом, для ковша – от шарнира до ре­жущих кромок зубьев).

Кинематическую длину ℓ _к ковша определяют через радиус R_к (рис.11), описываемый при повороте ковша режущими кром­ками зубьев, который согласно действующему отраслевому стан­дарту вычисляют в зависимости от вместимости q (м³) как

₃ ___

R_к = 1,25√ q + 0,25 м .

С учетом износа зубьев, в среднем равного 2/3 от предельного износа,

ℓ _к ≈ 0,95 R_к.

Кинематическую длину двух других элементов рабочего оборудования стрелы и рукояти (ℓ_с, ℓ_р) определяют из условия обеспечения заданных рабочих размеров и удержания в ковше грунта без просыпания при любых положениях стрелы и рукояти. Лучшим решением этих размеров будет такое, при котором металлоемкость рабочего оборудования будет минимальной, подстреловое пространство достаточно заполнено надземной частью осевого профиля рабочей зоны, а «подкоп» под ходовое оборудование будет незначительным.

Линейные размеры рабочего оборудования обратной лопаты (рис.12) при заданной максимальной глубине копания Н_к за­висят также от массы экскаватора m _э высотных размеров h _{п с ,} h _{ц с} и размеров опорного контура базовой части машины, в частности ℓ_г или ℓ_к .

Рис. 12. Схема к определению основных размеров

рабочего оборудования.

Предварительно параметры рабочего оборудования определяются по эмпирической зависимости

П = k ¹ А ( 1 ± k_v) , (15)

где П - искомый параметр, м; А – величина, зависящая от типа ходового оборудования, м; принимается для гусеничных экскаваторов А = 0,5 ℓ_к ;

k ^ا и k_v – коэффициенты соответственно пропорциональности и вариации, принимаемые по таблице 3.

Таблица 3. Данные к определению параметров рабочего оборудования обратная лопата гидравлического экскаватора [4].

Наименование элементов рабочего оборудования и других размеров	Коэффициенты
	kا	kv
1	2	3
Длина стрелы, ℓ с Длина рукояти, ℓ р Радиус ковша, R к Высота пяты стрелы, h пс Радиус поворота пяты стрелы, r пс Высота шарнира цилиндра стрелы, h цс Радиус поворота шарнира цилиндра стрелы, r цс Расстояние от пяты стрелы до шарнира штока цилиндра стрелы, ℓ 1 Расстояние от шарнира штока цилиндра стрелы до шарнира поворота рукояти, ℓ 2 Длина консоли рукояти, ℓ 3 Расстояние между шарнирами, ℓ 4 Расстояние между шарнирами, ℓ 5 Расстояние между шарнирами, ℓ 6 Расстояние между шарнирами, ℓ 7 Расстояние от пяты стрелы до шарнира рукояти, ℓ 8 Угол излома стрелы, ∆ t , рад	3,62 1,39 0,89 1,22 0,32 0,93 0,67 1,50 2,32 0,49 0,24 0,35 0,35 0,27 2,34 2,38	0,15 0,20 0,15 0,16 0,39 0,17 0,29 0,15 0,19 0,38 0,27 0,24 0,26 0,26 0,21 -

Следует иметь в виду, что максимальная глубина копания реализуется только при копании траншеи. Тогда Н _{к mах} = Н _кт . Глубина копания котлована тем же рабочим оборудованием будет сос­тавлять Н _кк= (0,70...0 625) Н_нт .

Вычисленные по эмпирической зависимости (15) основные ли­нейные размеры рабочего оборудования и имеющие предварительный ориентировочный характер следует проверить по условию обеспечения минимальной энергоемкости копания поворотом ковша и поворо­том рукояти.

В этом случае радиус копания поворотом ковша составит

R _к = [ 2 q k _н / b _к k _рых (π φ _кк – sinφ_кк )] ^0,5 . (16) 180

Длина ковша с учетом износа зубьев, равного 0,75 от пре­дельного износа, будет равна ℓ _к ≈ 0, 95 R . (17)

Длина рукояти может быть проверена по формуле

ℓ _р = (q k _н / h _с b _к k _рых φ _рк ) - R_к . (18)

Здесь b _к – ширина ковша, м; принимается по таблице А1;

k _н , k _рых – коэффициенты наполнения ковша и рыхления грунта (таблица 1);

φ _кк – угол поворота ковша, град.; принимается φ _кк = 100^о ;

h _с – средняя толщина срезаемой стружки, м; принимается h _с = ( 0,22…0,25) R _к [5] ; φ _рк – угол поворота рукояти, град; принимается φ _рк ≈ 50^о .

Параметры стрелоподъемного механизма должны обусловить ми­нимально возможную металлоемкость рабочего оборудования. Это требует рационального расположения пяты стрелы и пяты стрело­подъемного гидроцилиндра (рис. 13), координаты которых (в м) следует уточнить по эмпирическим зависимостям [I]

r _пс = r _цс - 0,18 ℓ _г ; h _пс = h _цс - 0,15 ℓ _г ; (19)

или по рекомендациям [5]

r _цс ≤ (0,30...0,325)D _опу ; r _цс = 0,5 D _опу + (0,10...0,15);

h _пс = h _цс + ( r _цс - r _цс + S _о соs ν ₁ ) , (20)

где S_о – длина стрелоподъемного гидроцилиндра в сложенном состоянии, м; принимается для экскаваторов Ш-У размерных групп [5] S _о = 1,8 м; ν₁ = (72...74°) – допустимый угол давления в шарнире "шток-стрела".

Рис. 13. Схема к определению координат крепления стрелы.

2.5 Построение рабочей зоны

Рабочая зона полноповоротного экскаватора – замкнутая торообразная

фигура вращения. Вертикальное сечение ее (рис.14) определяет­ся предельными кинематически воз­можными положениями режущей кром­ки рабочего органа. Для обеспече­ния необходимых перемещений ковша в рабочей зоне экскаватором 1...УП размерных групп задаются выработанными практикой угловыми перемещениями [I]: стрелы α_св + α _сн = 100…85°, рукояти α _р = 110...90°, ковша α _н = 160…140° с на­чальным отворотом от рукояти α _{к нач} = = 25…15° при отношении ℓ _с / ℓ _р= I,8...2,8.

Выбранные размеры звеньев ℓ _с , ℓ _р , ℓ _к должны обеспечить основ­ные размеры зоны (рис. 14):

Н_к - максимальную глубину ко­пания при α _сн ≤ (52...45°); стрела предельно опущена, звенья ℓ _р и ℓ _к вертикальны (положение О₁ О₃ N J);

R_кс- наибольший радиус копания на уровне стоянки экскавато­ра; рукоять предельно отвернута, и звенья ℓ _с и ℓ _к спрямлены в одну линию (положение О₁ Р N ₂ М );

Н _в - наибольшая высота выгрузки; поворот стрелы на α _св с фиксированными на ней рукоятью и ковшом (положение О₁ Р N ₂ М ).

Удовлетворяющие этим требованиям размеры ℓ _с и ℓ _р чаще определяют по рабочим размерам Н _к или R _к.с , а высота выг­рузки Н _в при указанных выше угловых перемещениях стрелы удовлетворяются автоматически. Следует отметить, что при таком выборе ℓ _с и ℓ _р обычно только один из рабочих размеров будет в точности равен заданному, а остальные будут больше заданных_..

По результатам этих расчетов строится осевой профиль рабо­чей зоны обратной лопаты, контур которого состоит из дуг окружностей О₁, О₂ …, О₈

(рис. 14).

Рис. 14. Осевой профиль рабочей зоны обратной лопаты.

На основе предварительных расчетов параметров базовой час­ти, рабочего оборудования и построения рабочей зоны экскаватора следует вычертить общий вид машины в двух проекциях, используя чертежи экскаватора - аналога. Окончательно определяются места и конструкции крепления цилиндров и штоков, уточняются конструк­ции рычажных механизмов поворота ковша и проверяется обеспечение ими всех движений ковша, рукояти, стрелы в заданных пределах угловых перемещений.

Конструкции ковша, рукояти и стрелы следует разрабатывать с учетом последних достижений в практике проектирования этих устройств, а также особенностей конструкции рабочего оборудова­ния экскаватора-аналога.

2.6 Определение параметров гидроцилиндров

В практике проектирования одноковшовых экскаваторов широко применяют расчеты, базирующиеся на использовании понятия удельной энергоемкости копания, которые позволяют предварительно определить объемы гидроцилиндров, обеспечивающих копание грунта (гидроцилиндров поворота рукояти и ковша).

Исходя из равенства работ, выполняемых гидроцилиндром и затрачиваемых машиной на копание грунта при заполнении ковша вместимостью q (в м³), можно записать

р F_ц L _ц η η _о = q k _к k _н / k _рых .

Из этого уравнения потребный рабочий объем гидроцилиндра, дм³,

q _ц = F_ц L _ц = q k _к k _н / р k _рых η η _о , (21)

где k _к - удельная энергоемкость копания, кПА (таблица 2); при­нимается для высшей категории грунта по заданию; k _н , k _рых – коэффициенты наполнения ковша и разрыхления грунта (таблица 2); р – давление рабочей жидкости, МПа; η - к.п.д. системы поворота рукояти (ковша); η _о - коэффициент использования мощности привода; принимаются η = 0,8…0,85 и η _о = 0,8… 0,9.

Аналогично, исходя из определения работы, затрачиваемой на преодоления сил тяжести, определяют необходимые объемы гидроцилиндров подъема стрелы с рабочим оборудованием:

q _ц = М g h _ц / р η ,

где М – масса рабочего оборудования, кг; h _ц – высота подъема центра тяжести рабочего оборудования, м, определяемая по разности отметок в его верхнем и нижнем положениях.

Рабочий объем гидроцилиндра дм³, выраженный через его диаметр D_ц (м) и ход поршня L _ц (м), составит

q _ц = 1000 D² _ц L _п π / 4 = 250 π D² _ц L _п , (22)

откуда диаметр гидроцилиндра (м) будет равен

_______

D_ц = 0,564 √ q _ц / L _п . (23)

Величины L _п гидроцилиндров стрелы, рукояти, ковша устанавливаются по условию обеспечения угловых перемещений этих элементов рабочего оборудования. Для привода стрелы и рукояти предварительно можно принимать (с последующим уточнением ) гидроцилиндры с ходом поршня L _п = 1.25 м [10] .

Требуемая подача насоса, дм³/с,

Q _н = q _ц / t _р , (24)

где t _р – время рабочего хода гидроцилиндра, с.

Мощность привода гидронасоса

N _н = Q _н р / η = q _ц р / t _р η .

Обычно требуемую мощность (кВт) насосной установки определяют по наиболее трудоемкой операции копания

N _н = q _ц р / t _коп η ,

где t _коп – время, расходуемое на операцию копания грунта, с; принимается t _коп = 0,3 t _ц ; t _ц – продолжительность цикла, с; принимается по таблице А1.

При совмещении операций мощность привода экскаватора составит

N = Σ N _i ,

где Σ N _i – сумма мощностей привода насосов, участвующих в совмещенных операциях.

На современных гидравлических экскаваторах обычно совмещают две или три операции (например, подъем стрелы и поворот рукояти, подъем стрелы и поворот платформы). Наиболее целесообразна схема, при которой каждый механизм питается от своего насоса. Производительность насосов и мощность их привода должна быть достаточной для достижения желаемых скоростей, которые должны быть увязаны с продолжительностью операций цикла.

По известной мощности двигателя и заданному давлению в гидросистеме подбирают гидронасос экскаватора. Давление жидкости в гидросистеме современных экскаваторов составляет не менее 25 МПа. Применяют регулируемые гидронасосы с диа­пазоном регулирования 2. ..2,5.

2.7 Расчет нагрузок на рабочее оборудование

2.7.1 Определение сопротивлений грунтов копанию

После предварительного выбора размеров элементов рабочего оборудования, гидроцилиндров и гидронасосов проводят уточненный проверочный расчет рабочего оборудования, основными задачами которого является определение усилий копания на режущей кромке (зубьях) ковша и работы копания обеспечиваемой машиной, категории грунта, который может разрабатывать экскаватор, а также нагрузок на рабочее оборудование, поворотную платформу, ходовое оборудование и др. Данные этих расчетов используются также для расчета конструкции машин на прочность.

В общем случае при копании на рабочее оборудование действуют сопротивление грунта отделению от массива и гравитационные силы – собственные, присоединенных элементов и транспортируемого в ковше грунта.

Главной рабочей нагрузкой является сопротивление грунта копанию, кН,

Р ₀₁ = k _к В _к h = k _к F , (25)

где k _к – удельное сопротивление грунтов копанию, кПа (табли­ца 2);

В _к и h – ширина и толщина среза грунта, м.

Исходя из равенства объемов ковша и снимаемой стружки q _к k _н =

= ℓ _кол F k _р площадь поперечного сечения срезаемой стружки грунта (м²) при криволинейной траектории движения ковша

F = q _к k _н / ℓ _кол k _р . (26)

Путь копания поворотом ковша его гидроцилиндром (рис.15),

ℓ _{кол. к} = 2 π ℓ _к α _р / 360 . (27)

Путь копания (м) поворотом рукояти определится из выражения (рис.16),

ℓ _{кол. р} = 2 π (ℓ _р + ℓ _к) α _р / 360 .

Сопротивления копанию определяют для грунтов всех категорий, указанных в задании.

2.7.2 Расчет активных и реактивных сил и давлений

в гидроцилиндрах рабочего оборудования при копании грунта

Копать грунт обратной лопатой гидравлического экскаватора можно поворотом рукояти (при неподвижной стреле), поворотом ковша (при неподвижной стреле и рукояти) или совместным движением рукояти и ковша.

При копании грунта толщина стружки и усилие резания величины переменные. Угол поворота, отвечающий срезанию стружки максимальной толщины, составляет: при копании рукоятью φ ≈ 30-40^о, при копании ковшом φ ≈ 60-65^о.

По общепринятому методу, существующему в практике расчетов гидравлических экскаваторов, при определении усилий в гидроцилиндрах рабочего обо­рудования траекторию копания разбивают на восемь - десять примерно равных положений, полагая, что в каждом из них на режущей кромке ковша действует усилие Р₀₁. Со­ставляя соответствующие уравнения моментов, определяют уси­лия, возникающие в цилиндрах ковша, рукояти и стрелы. В ре­зультате устанавливают максимальные усилия, по которым вы­числяют площади сечения цилиндров (см. подразд. 2.6), прини­мая давление жидкости на 10% меньше расчетного давления насоса в связи с наличием внутренних сопротивлений в системе. Зная площади сечений цилиндров и расход жидкости, обеспечи­ваемый насосом, получают скорости перемещения штоков гидро­цилиндров. Оптимальные значения последних находятся в пре­делах 0,2.. .0,4 м/с и не должны превышать 0,5 м/с.

Обязательными являются расчеты по определению реактивных (пассивных) сил и давлений в запертых полостях гидроцилиндров стрелы и рукояти при работе цилиндром ковша, а также в гидроцилиндрах ковша и стрелы при работе гидроцилиндром рукояти, так как в некоторых случаях они накладывают ограничения на возможные касательные усилия на режущей кромке ковша и выбор параметров рабочих гидроцилиндров. Расчеты ведут подобно изложенному методу определения усилий в цилиндрах рабочего оборудования экскаватора, полагая, что в соответ­ствующий цилиндр жидкость поступает при максимальном дав­лении. Реактивные давления не должны превышать принятого давления в системе более чем в 1,5 раза. В противном случае следует увеличить диаметры цилиндров либо уменьшить уси­лие Р₀₁.

2.7.2.1 Определение активных сил на зубьях ковша

при копании гидроцилиндром ковша

Расчетное положение рабочего оборудования показано на рис.15: стрела предельно опущена, а рукоять отвернута.

В цилиндре ковша с площадью поршня F (м²) действует дав­ление P_n (МПа) и развивается усилие на штоке (кПа)

P_цк = 10³ P_n F . (28)

Из суммы моментов относительно точки С Σ М _с = 0 определяется усилие в тяге (кН)

Т = Р_цк ℓ _{цк с} / ℓ _{т с} . (29)

Рис. 15. Схема к расчету нагрузок на рабочее оборудование

при копании гидроцилиндром ковша.

Из суммы моментов относительно точки О (Σ М _о = 0) определим касательное усилие на режущей кромке ковша по усилию цилиндра ковша. Для каждой точки траектории движения ковша при полном угле поворота ковша α _к касательная составляющая сопротивления копанию на­ходится из выражения (рис. 15)

Р₀₁ = (Т ℓ _{т 0} ± G _к ℓ _{к 0}) / ℓ _к . (30)

Промежуточные и окончательные результаты расчетов целесо­образно сводить в таблицу и строить график зависимости Р₀₁ = ƒ (α _к).

2.7.2.2 Определение реактивных сил и давлений в гидроцилиндре

рукояти при копании гидроцилиндром ковша

Реактивные силы в гидроцилиндре рукояти (кН) определяются из уравнения статического равновесия сил относительно шарнира В (рис. 15)

_р

Р₀₁ ℓ _р01В + G _к ℓ _кВ + G _р ℓ _рВ - Р _{ц р} ℓ _{ц рВ} = 0 ,

откуда _р

Р _{ц р} = (Р₀₁ ℓ _р01В + G _к ℓ _кВ + G _р ℓ _рВ ) / ℓ _{ц рВ} . (31)

Реактивное давление защемленного объема рабочей жидкости в гидроцилиндре рукояти (МПа) при площади поршня F (м²) составит

_р

р _{ц р} = Р_{ц р} / 10³ F .

Величины Р_{ц р} и р _{ц р} определяются при дискретных значени­ях Р₀₁, полученных для точек 1... n на траектории движения зуба при повороте ковша от 0° до максимального значения α _к для трех расчетных положений:

- стрела предельно опущена и рукоять максимально отвернута;

- копание на глубине 2/3 от максимальной, головной шарнир стрелы на уровне стоянки экскаватора, ось рукояти вертикальна;

- рукоять горизонтальна при положении шарнира стрелы на 0,5 м ниже уровня стоянки машины.

(Примечание. Здесь и далее руководитель курсового проекта определяет, по каким из перечисленных расчетных положений рабочего оборудования осуществлять расчеты).

Результаты расчетов сводятся в таблицы и строятся графики

_р

Р_{ц р} = ƒ (α _к) и др.

Если получится, что реактивные давления превышают принятое давление в системе более чем в 1,5 раза, т.е р _{ц р} > 1,5 р _н , то следует изменить соответствующим образом кинематику рабочего оборудования или размеры гидроцилиндра рукояти.

3. Определение реактивных сил и давлений

в гидроцилиндре стрелы при копании гидроцилиндром ковша

Реактивные силы в гидроцилиндре стрелы (кН) определяются из уравнения статического равновесия сил относительно шарнира А (рис. 15)

_{А А А А р А}

G_с ℓ _с + G_р ℓ _р + G_к ℓ _к + Р ₀₁ ℓ ₀₁ - Р _{ц с} ℓ _{ц с} = 0 ,

откуда _{р А А А А А}

Р _{ц с} = [Р ₀₁ ℓ ₀₁ ± (G_с ℓ _с + G_р ℓ _р + G_к ℓ _к)] / ℓ _{ц с} . (32)

Реактивные давления (МПа) защемленного объема рабочей жидкости в гидроцилиндре стрелы определяются из выражения

_р

р _{ц с} = Р _{ц с} / 10³ F ,

где F – площадь поршня (м²) гидроцилиндра стрелы, на которую действует давление р _{ц с} (МПа). _р

Реактивные силы Р _{ц с} и давления р _{ц с} определяются с учетом действия сил Р₀₁ в точках 1...n на траектории движения зуба при повороте ковша от 0° до α _{к mах} для двух расчетных положений:

- стрела предельно опущена, рукоять максимально отвернута;

- копание на глубине 2/3 от максимальной, головной шарнир стрелы на уровне стоянки экскаватора, ось рукояти вертикальна.

Результаты расчетов сводятся в таблицы и строятся графики

_с

Р_{ц с} = ƒ (α _р) и др.

Если получится, что реактивные давления превышают принятое давления в системе более чем в 1,5 раза, т.е р _{ц с} > 1,5 р _н , то следует изменить соответствующим образом кинематику рабочего оборудования или размеры гидроцилиндра стрелы.

2.7.3 Определение активных сил на зубьях ковша

при копании гидроцилиндром рукояти

Расчетное положение рабочего оборудования показано на рис.16: стрела предельно опущена; рукоять максимально отвернута, и линия, соединяющая ось шарнира ковша и режущей кромки зуба, является продолжением оси рукояти.

Активная сила на режущей кромке ковша, развиваемая гидро­цилиндром рукояти, определится из уравнения моментов относительно точки В Σ М _В= 0 (рис. 16) и сос­тавит

_{в в в в}

Р₀₁ = (Р _{ц р} ℓ _{ц р} ± G _р ℓ _р ± G _к ℓ _к ) / ℓ _{р 01} . (33)

Результаты расчетов сводятся в таблицу и строится график.

2.7.3.1 Определение реактивных сил и давлений в гидроцилиндре

ковша при копании поворотом рукояти

_{о о о}

Из Σ М _О = 0 получим Р₀₁ = (Т ℓ _т - G _к ℓ _к) / ℓ _к ,

_{с с}

а из Σ М _с = 0 Т = Р _{ц к} ℓ _{ц к} / ℓ _т .

Имея в виду, что Р _{ц к} = р _{ц к} F , решая совместно эти два уравнения, получим

_{с о}

1 р _цк F _цк ℓ _{ц к} ℓ _{т о}

Р₀₁ = — (———_с——— - G _к ℓ _к ) ,

ℓ _к ℓ _т

откуда

_{о о о}

Р _{ц к} = (Р₀₁ ℓ _к + G _к ℓ _к ) / (F_{ц к} ℓ _{ц к} ℓ _т ) . (34)

Рис. 16. Схема к расчету нагрузок на рабочее оборудование

при копании поворотом ковша гидроцилиндром рукояти.

2.7.3.2 Определение реактивных сил и давлений в гидроцилиндрах

стрелы при копании гидроцилиндром рукояти

Из Σ М _А = 0 (рис. 16) сила реакции гидроцилиндра стрелы

_{р А А А А А}

Р _{ц с} = [ Р₀₁ ℓ ₀₁ – (G _с ℓ _с + G _с ℓ _с + G _с ℓ _с )] / ℓ _{ц с} (35)

Реактивное давление р _{ц с} = Р _{ц с} / F , где F – рабочая площадь гидроцилиндров стрелы, м².

Расчетные положения рабочего оборудования:

- стрела максимально опущена, а рукоять предельно отвернута; линия зева ковша на продолжении оси рукояти (точка 4р рис. 16);

- головной шарнир стрелы на уровне стоянки, копание на глу­бине 2/3 от максимальной; линия зева ковша на продолжении оси рукояти.

Результаты расчетов сводятся в таблицу и строится график.

2.7.3.3 Определение активной силы на ковше по условию

устойчивости экскаватора

Возможное усилие Р₀₁ на зубьях ковша по условию устойчивости экскаватора относительно точки D (рис. 16) определяется при условии равенства моментов опрокидывающего М₀ и удерживающего М _уд , т.е. при К _у = I .

Удерживающий момент будет равен

_{D D}

М_уд = G _{п п} ℓ _{п п} + G _х ℓ _х ,

_D

где G _{п п} – сила веса поворотной платформы (кН), действующая на плече ℓ _{п п}, м; G _х – сила веса ходового оборудования (кН), действующая на плече ℓ^D_х , м .

Опрокидывающий момент относительно ребра опрокидывания (гусени-

ца, колесо, выносные опоры) при Р₀₂ = 0 определится из выражения (рис. 16)

_{А А А}

М₀ = Р₀₁ (a - ℓ _А01) + G _{к + г} (a - ℓ _к+г) + G _р (ℓ _р - а) + G _с (ℓ _с - а) =

= Р₀₁ (a - ℓ _А01) + Σ М _G .

Имея ввиду, что М_у = М ₀, из последнего уравнения можно найти предельное значение силы копания на зубьях ковша из условия опрокидывания экскаватора

Р₀₁ = (М - Σ М _G) / (а - ℓ _р01) . (36)

2.7.3.4 Определение активной силы гидроцилиндров

подъема стрелы

Активная сила, развиваемая гидроцилиндрами подъема стрелы, может быть найдена из уравнения Σ М _А = 0 (рис. 16) и составит

Р _{ц с} = (G _с ℓ^А_ц + G _р ℓ^А_р + G _{к + р} ℓ^А_{к + р} ) / ℓ _{ц с} . (37)

Определяется она для следующих расчетных положений:

- стрела максимально опущена; рукоять подвернута на 30°; ковш заполнен грунтом Ш категории и повернут на угол, при кото­ром грунт не высыпается; начало подъема;

- подъем ковша с глубины Н _к = (2/3)Н _{к mах} , головной шарнир стрелы, на уровне стоянки машины; рукоять подвернута на угол 30°; линия зева ковша горизонтальна;

- подъем груженого рабочего оборудования с уровня стоянки экскаватора, рукоять подвернута на 1/3, а ковш подвернут на угол α _к = (2/3) Н _{к mах} ;

- ковш с грунтом на максимальном вылете;

- стрела максимально поднята, рукоять горизонтальна, ковш подвернут.

2.8 Расчет параметров механизма поворота

Общий расчет поворотного механизма состоит в определении необходимой мощности поворотного движения N_п и мощности дви­гателя N_{дв п} , выборе двигателя и кинематическом расчете пе­редаточного механизма.

Исходные данные для расчета:

- расчетный угол поворота β _п, град (рад);

- расчетное время поворота t _п, с;

- момент инерции поворотной части экскаватора с груженым Ј_г и порожним Ј_п ковшом, т٠м² ;

- максимально возможная угловая скорость поворота (при номинальной скорости двигателя ω _{дв н}) .

При угле β _п < 90° имеет место двухпериодный режим поворота, состоящий из периодов разгона и торможения, а в случае 90° ≤ β _п < 360° будет трехпериодный режим поворота, характерный наличием разгона, движения с постоянной максимальной угловой скоростью поворота и торможения.

Момент инерции, т-м², поворотной части при вылете ковша обратной лопаты, равном 2/3 от максимального, может быть найден по эмпирической зависимости [I, с. 234]:

_5/3

с груженым ковшом Ј_г = 1,2 m _э

при порожнем ковше Ј_п = Ј_г - m _г r²_г ,

где m _э , m _г – массы соответственно ковша и грунта в ковше, т;

r _г – радиус центра масс грунта в ковше на расчетном вы­лете, м.

Момент, необходимый для осуществления двухпериодного пово­рота платформы экскаватора, можно найти из выражения [I]

М_{Д mах} ί _п = Ј_ср β _п а _ср е² η _п / [ t _п] ² , (38)

где Ј_ср = 0,5 (Ј_г + Ј_п) ; β _п – заданный угол поворота в одном направлении, рад;

а _ср – коэффициент, зависящий от внешней характеристики двигателя;

η _п – КПД механизма поворота; принимается η _п = 0,75... 0, 8;

[ t _п] – допустимая (задан­ная) продолжительность поворота, с;

е – коэффициент пропор­циональности; принимается для приводов с гидродвигателем е = 3,45...4,05;

ί _п – передаточное число поворотного ме­ханизма.

Коэффициент, зависящий от характеристики двигателя, опреде­ляется из выражения [I ]

а _ср = (а _{г ср} + а _{п ср}) / 2 = θ + (1/ η _п + η _п ) / 2 , (39)

где θ – коэффициент, учитывающий влияние инерции вращающихся масс поворотного механизма; принимается θ = 0, 05... 0,1 для тихоходных высокомоментных гидродвигателей, θ = 0,1... 0, 15 для быстроходных низкомоментных гидродвигателей.

Продолжительность поворота (с) для предварительного расчета М _Дmах ί_п может быть принята из выражения

₆ __________

[ t _п] = t^с_п = t^п_п ≈ (0,3…0,35) t_{ц а} √ m _э / m _{э а} , (40)

где t_ца и m _{э а} – продолжительность рабочего цикла, с, и масса экскаватора-аналога, т.

После подсчета М _Дmах ί_п его необходимо проверить по условию, что приведенный к поворотной платформе движущий момент не превышает предельного момента сил сцепления движителя с грун­том, т.е.

М_Дmах ί_п η _п < М _сц = Р_п К/ 2 = m _э g ƒ К/ 2 , (41)

где Р_п – сопротивление повороту движителя, Н; К - колея, м;, m _э - масса экскаватора, кг; g = 9,81 м/с ; ƒ = 0,3... 1 – коэффициент сопротивления повороту, принимается тем больше, чем меньше радиус поворота.

Если условие (41) удовлетворяется, то можно провести рас­чет максимальной угловой скорости поворота (рад/с), соответству­ющий моменту окончания периода разгона t _р по зависимости

_____________________

ω _mах = ω _{г (п) mах} = С √ М_Дmах ί_п β'_п / (Ј_ср а _{г (п) ср}) , (42)

где С - коэффициент пропорциональности, принимаемый для при­водов с гидродвигателями равный в среднем 0,8... 1,0;

β'_п - полное угловое перемещение поворотной платформы в одном направлении при двухпериодном движении, включающем разгон и торможение, рад.

Здесь коэффициент, зависящий от внешней характеристики привода, определится из выражения

а _{г (п) ср} = (а _{рг (п)} + а _{т г (п)} ) / 2 = θ + (1 ± δ) (1/ η _п + η _п ) / 2 , (43)

где δ = (Ј_г / Ј_ср) – 1 = 1 – (Ј_п / Ј_ср); находится в пределах δ = 0,05…0,25 [1]; знак (+) перед δ соответствует Ј_г, а знак (-) - Ј_п .

При постоянном моменте М_Дmах ί_п максимальная мощность поворотного движения будет соответствовать концу разгона плат­формы при обратном вращении

N _{п mах} = М_Дmах ί _п ω _{п mах} η _п . (44)

По значению мощности N _{п mах} подбирается гидродвигатель мощностью N _{г м} с последующим корректированием частоты вращения

n _{г м} = n _{г м ном} N _{г м} / N _{г м ном} ,

где n _{г м ном} и N _{г м ном} - номинальные частота вращения и мощность гидромотора.

Передаточное число механизма поворота

________________

ί _п = (π n_д / 30) √ Ј_ср а _{г ср} / с² β' N _д , (45)

где n_д = n _гм и N _д = N _{г м} .

Мощность, кВт, необходимая для привода насоса

N _{н mах} = N _{г м} / η _г = θ _{н mах} р_{н mах} , (46)

где р_{н mах} , θ _{н mах} – максимальные давления (МПа) и производительность

(подача) насоса, дм³/с; η _г – КПД гидросис­темы; η _г = 0,8…0,9 .

По крутящему моменту выбранного гидромотора М _{г м} можно найти продолжительность полного поворота [1] :

_________________

двухпериодного t^'_п = θ √ Ј_ср β'_г а _ср / М ^ا_{г м} ί _п

и трехпериодного t_п = (2 β / ω _mах) + (Ј_ср ω _mах ƒ / М _гп ί _п) ,

где ƒ = 2θ (h _р + h _т - 1/ С²) + 1/ η _п (2 h _р - 1/ С²) + h _п (2 h _т - 1/ С² ) ;

для приводов с гидромоторами принимаются h _р = 1,05...1,18; h _т = 0,92÷0,97.

2.9 Расчет основных параметров механизма передвижения

Тяговые расчеты экскаваторов с гусеничными движителями проводятся для трех режимов передвижения:

- прямолинейное движение на почти горизонтальном участке

(α_min = 2…3^о);

- поворотное движение в аналогичных условиях;

- прямолинейное движение на максимальном подъеме (α _mак = 22° для экскаваторов 1...1У групп и α _mак = 20° - У группа).

Общее сопротивление перемещению движителя составит:

на первом режиме

W₀ = W _ƒ + W _j + W α_min (47)

на втором и третьем режимах

W^ا_{0 mах} = W₀ + W_п ; W^اا_{0 mах} = W _ƒ + W _j + W α_mах , (48)

где W _ƒ = ƒ m _э g - сопротивление прямолинейному движению, Н;

ƒ – коэффициент сопротивления движению; принимается в зависимости от вида опорной поверхности и типа ходовой системы в пределах ƒ = 0,06...0,15 [I, таблица 5.1];

W _j = (0,01...0,02) m _э g - сопротивление сил инерции, Н ;

W α_min = m _э g sin α_min - сопротивление подъему на угол α_min = 2...3⁰; Н;

W_п = ƒ_п m _э g - сопротивление повороту на минимальном радиусе R_min = К/2 и коэффициенте сопротивления повороту ƒ_п = 0,3... 1,0;

W α_mах = m _э g sin α_mах - сопротивление подъему на угол α_mах.

При групповом приводе движителя гусеничных и пневмоколесных экскаваторов скорости передвижения определяются из выражения

υ _{mах (min)} = N_дв k _вых η _т / W_{min (mах)} , (49)

где k _вых - коэффициент снижения мощности двигателя N_дв (кВт) из-за колебаний нагрузки; принимается k _вых = 0,75...0,82;

η _т - КПД трансмиссии привода ходового устройства;

W_{min (mах)} - минимальное (максимальное) сопротивление движе­нию, кН.

Для пневмоколесных экскаваторов сопротивления перемещению определяются только для первого и третьего режимов. При диск­ретном регулировании скоростей их число n должно быть не менее четырех. Частные значения скоростей должны представлять геометрическую прогрессию со знаменателем а = (υ _mах / υ _(min ) 1/ (n - 1).

Максимальная скорость перемещения υ _mах ≤ (22. ..25 км/ч) [I].

Максимальный крутящий момент на валу гидромотора, Нм,

М _{кр mах} = W_{0 mах} r _с / u _х η _п , (50)

где г_с - силовой радиус ведущего колеса (ведущей звездочки), м; на плотном грунте г_с = г₀ - (0,12...0,15) В_ш , на рых­лом - г_с = г₀ - (0,08...0,1) В_ш ;

г₀ - радиус недеформи­рованной шины, м; В _ш - ширина профиля шины, м;

u _х - пе­редаточное число механической передачи от гидромотора до ве­дущего колеса (звездочки); η _п - КПД этой передачи.

Передаточное число механической передачи

u _х = 120 π θ _{н mах} r _с η _об / q _гм , (51)

где θ _{н mах} - максимальная подача насосной установки, л/мин; η _об - объемный КПД гидропривода; q _гм - рабочий объем гидромотора, см³/об;

q _гм - скорость передвижения экскавато­ра, км/ч.

Проверяется соответствие максимальной частоты вращения гидромотора принятому u _х и заданным величинам υ и r _с по условию

n _{г м mах} ≥ u _х υ / 0,12 π r _с . (52)

Если это условие не выполняется, то следует выбрать другой гидромотор или уменьшить υ .

При индивидуальном приводе каждой гусеницы по номинальной мощности, равной выходной мощности насосной установки, за исклю­чением потерь на подачу жидкости, выбирают два гидромотора – по одному на каждую гусеницу.

2. 10 Статический расчет экскаватора

В задачу статического расчета входит:

- уравновешивание поворотной платформы;

- определение устойчивости экскаватора в режимах копания и перебазировки;

- определение реакций в опорно-поворотном устройстве;

- определение давлений движителя на грунт при различных положениях рабочего оборудования.

Уравновешивание поворотной платформы обеспечивается соот­ветствующим размещением на ней оборудования и выбором массы m _пр противовеса (контргруза). Для обратной лопаты массу m _пр определяют из двух расчетных положений (рис. 17, а, б). Из Σ М _В = 0 (рис. 17,а) сила веса контргруза (Н) составит

G^В_пр = (G _с ℓ _с + G _р ℓ _р + G _к+1 ℓ _{к + 1} - G _{п п}ℓ _{п п}) / ℓ _{п р} . (53)

При свободном опирании рабочего оборудования о грунт на максимальном вылете ковша из ΣМ_А = 0 сила веса контргруза (Н) будет равна

G^А_пр = [0,5(G _с ℓ _с + G _рℓ _р) - G _{п п}ℓ _{п п}] / ℓ _{п р} . (54)

Большее значение массы противовеса (кГ) m _{п р} = G _{п р} / g, из полученных по уравнениям (53), (54), принимается для установки на экскаваторе.

Устойчивость обратной лопаты в режиме копания грунта опре­деляется для двух расчетных положений:

а) копание у бровки вы­емки (рис. 17, в) гидроцилиндром рукояти; ковш на 2/3 заполнен грунтом, действует Р_{01 mах} ; рабочее оборудование поперек ходо­вого оборудования; запас устойчивости при этом должен быть в пределах К _у = М _у / М _о = 1,05.. .1,1;

б) экскаватор стоит на площадке (рис. 17, г) с уклоном 5° в сторону стрелы, располагающейся поперек ходового оборудо­вания; ковш с грунтом ІУ категории (γ = 1900 кГ/м³) на макси­мальном вылете; поворот на выгрузку с расчетной частотой враще­ния n = 9 мин ^-1 ; при расчете суммарных моментов удерживающих и опрокидывающих следует учитывать моменты от центробежных сил

F _i = m _i ω² r _i = 0,0904 G _i r _i = 0,887 m _i r _i ; запас устойчивости при этом К _у = М _у / М _о ≥ [К_у] = 1,15.

Устойчивость экскаватора при передвижении собственным хо­дом (рис. 17, д,е) на подъем с α _mах и под уклон с α _mах определяется при действии попутного ветра с удельной силой [р _вет] = 250 Па ; предельный угол [α _mах] = 22° для экскаваторов ІІІ…ІУ размерных групп и [α _mах] = 20° – для У размерной группы и более; запас устойчивости при этом должен составить

К _у = М _у / М _о ≥ [К_у] = 1,15.

Реакции в опорно-поворотном круге, а также давления движите­ля экскаватора на грунт (если это предусмотрено заданием на курсо­вое или дипломное проектирование) можно определить по известным методикам [2, с. 130, с. 86-91].

Рис. 17. Схемы к статическому расчету экскаватора.

Реакции в опорно-поворотном круге, а также давления движите­ля экскаватора на грунт (если это предусмотрено заданием на курсо­вое или дипломное проектирование) можно определить по известным методикам [2, с. 130, с. 86-91].

3. Определение технической производительности экскаватора

Техническую производительность одноковшового экскаватора, м³/ч определяют по формуле

П _т = 3600 q k _н / t _ц k _рых , (55)

где q – геометрическая вместимость ковша, м³; k _н , k _рых - коэффициенты наполнения ковша и разрыхления грунта (таблица 2); t_ц - продолжительность рабочего цикла, с. Продолжительность полного цикла обратной лопаты без совме­щения операций:

t _ц = t _к + t _р + t _с + t _п + t _в + t^'_п + t^'_с + t^'_р + t^'_к , (56)

где t _к – продолжительность поворота ковша при копании; t _р – то же, рукояти при копании; t _с – то же, подъема стрелы; t _п – то же, поворота платформы к месту разгрузки; t _в – то же, разгрузки ковша; t^'_п – то же, поворота плат­формы в забой; t^'_с – то же, опускания стрелы в забой; t^'_р – то же, поворота рукояти в рабочее положение; t^'_к – то же, ковша в рабо­чее положение.

В гидравлических экскаваторах благодаря многопоточной системе привода машинист может включать одновременно два или три движения, совмещая их по вре­мени, например, подъем стрелы и поворот рукояти, подъем стрелы и поворот платформы. При этом операции, продолжительность которых меньше про­должительности совмещаемых с ними операций, можно не учиты­вать. В частности, если продолжительность поворота ковша меньше, чем поворота рукояти, а время подъема стрелы – меньше времени поворота, общую продолжительность цикла при совмещении этих операций можно выразить так:

t _ц = t _р + t _п + t^'_п + t^'_с + t^'_р + t^'_к . (56_а)

Продолжительность (с) отдельных операций цикла может быть найде­на по эмпирической зависимости

₃ ___

t _ц = К _i √ m _э , (57)

где m _э – масса экскаватора, т; К _i – коэффициент пропорцио­нальности, принимаемый по таблице 4 [3].

Таблица 4. Коэффициент пропорциональности К _i .

Наименование операции	Масса экскаватора, т
	6	12	20	30	45	60	90	120	190
	К i
Копание Поворот на выгрузку Выгрузка Поворот в забой Продолжитель-ность цикла	1,79 1,65 1,85 1,21 6,60	1,76 1,72 1,97 1,36 6,81	1,67 1,56 1,81 1,26 6,30	1,68 1,36 1,82 1,34 6,25	1,65 1,54 1,83 1,38 6,40	1,59 1,49 1,72 1,35 6,15	1,47 1,38 1,62 1,33 5,80	1,7 1,8 1,5 1,3 6,0	1,24 1,15 1,34 1,12 4,85

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Машины для земляных работ: Учебник. Д.П.Волков, В.Я.Крикун, П.Е.Тотолин и др. Под общ. ред. Д.П.Волкова – М.: Машиностроение, 1992. – 448 с

2. Машины для земляных работ: Учебник. Гаркави Н.Г., Аринченков В.И. Карпов В.В. и др. Под ред. Н.Г.Гаркави. – М.: Выс­шая школа, 1982. – 335 с.

3. Домбровский Н.Г., Гальперин М.И. Строительные машины (в 2-х ч.). Ч.П: Учебн. для студ. вузов по специальности "Строи­тельные и дор. машины и оборуд." - М.: Высш. шк., 1985. – 224 с.

4. Проектирование машин для земляных работ. Учебное посо­бие.

Холодов А.М., Руднев В.К., Ничко В.В. и др. Под общ. ред. А.М. Холодова.– Харьков: "Вища школа , 1986. – 272 с.

5. Смоляницкий Э.А, Мокин Н.В. Гидравлические экскаваторы. Ч.1. Определение параметров: Учебное пособие. – Новосибирск: НИИЖТ, 1976. – 86 с.

6. Добронравов С.С. Строительные машины и оборудование: Справочник для строит, спец. вузов и инж.-техн. работников. – М.: Высш. шк., 1991. – 456 с.

7. Родин И.И., Пономарев 3.П. Проектирование одноковшовых строительных экскаваторов: Учебное пособие. – Красноярск: КИИ, 1973. – 208 с.