1.3. Прочностной расчет отвала бульдозера

Определение усилий при работе в суглинистых грунтах III категории

– Объем грунта в призме волочения при наибольшем заполнении отвала:

,

где L = 4,1 м – длина отвала;

Н = 1,3 м – высота отвала;

К₁ = 0,85 – для связных грунтов;

= 4м³.

Определение толщины листа кронштейна

Проведем расчет опасного сечения II-II кронштейна на изгиб от наибольшей силы Р_ц.

– Изгибающий момент в сечении:

М = Р_ц ∙ С;

М = 226000 ∙ 120 = 27120000 Н∙мм.

– Для материала 09Г2С ГОСТ 380-71 допускаемое напряжение будет:

;

= 17,14 МПа,

где σ_т = 240 МПа – предел текучести.

– Момент сопротивления:

= 1582000 мм³.

– Момент инерции:

;

= 229390000 мм⁴.

– В соответствии с размерами на рисунке 3 момент инерции сечения II-II:

.

– Толщина листа стенки:

;

= 24,6 мм.

Принимаем δ = 25 мм.

Проверка сечения I-I:

– на срез:

;

= 11,9 МПа < [τ] = 90 МПа,

где F – площадь сечения без учета наваренных шайб;

– на смятие:

;

= 32,3 МПа < [σ] = 120 МПа,

где [σ] и [τ] – допускаемые напряжения .

Проверка сварного соединения

Для сварки материала марки 09Г2С ГОСТ 380-71 применяем электроды типа ЭЧ2 ГОСТ 9467-75.

Сварку конструкции производим угловыми швами У4- 25 по ГОСТ 5264-69.

Все соединения с угловыми швами при работе на осевую продольную силу проверяют на срез:

– Разложим силу F = 196,3 кН (max усилие, развиваемое гидроцилиндром) на вертикальную и горизонтальную составляющие:

F_вер = F ∙ sinα; F_вер = 199∙ sin60° = 172 кН;

F_гор = F ∙ cosα; F_вер = 196,3 ∙ cos60° = 99 кН.

– Перенесем силы F_вер и F_гор в центр стыка сварных швов и добавим момент:

М = F_гор ∙ ;

М = 99 ∙ 10³ ∙ 120 = 11880000 Н∙мм.

– Определяем напряжения в сварных швах от силы F_верт:

;

= 20,4 МПа,

где К = δ = 25 мм – катет шва;

L_ш – длина сварного шва.

– Определяем напряжения в сварных швах от силы F_гор:

;

= 11,7 МПа.

– Определяем напряжения в сварных швах от момента М:

,

где W – момент сопротивления.

;

= 336000 мм².

= 35 МПа.

– Расчетным случаем является т. А и для нее напряжение среза равно:

,

где [τ] – допускаемое напряжение на срез для сварного шва;

[σ] = 100 МПа по табл.I.5.19[4];

[τ] = 0,6 ∙ 100 = 60 МПа;

= 60 МПа.

3. Расчет нагрузок действующих на бульдозерное оборудование бульдозера б-170

Расчет нагрузок будет производиться по методике, описанной в учебнике «Землеройно-транспортные машины» Н.Г. Домбровский, М.И. Гальперин.

Для расчета рамы, отвала и других деталей необходимо определить наиболее опасные условия нагружения. Таким положением является встреча бульдозера с препятствием, когда на отвал действуют одновременно статические и динамические силы Pст и Pин. При этом гидравлические цилиндры управления отвалом запреты и система не позволяет его выглублять. Для расчета принимается, что встреча с препятствием происходит в средней точке нижней кромки отвала; сила Pст имеет максимально возможную величину.

Для расчета возьмем случай, когда бульдозер встречает на пути кирпичный столб шириной b=65см и площадью поперечного сечения F=3900см². Удар серединой отвала происходит на высоте 15см от заделки столба. Принимаем, что Рz=0. Сила тяжести бульдозера Б-170 с навесным оборудованием Скорость на первой передаче Сила тяжести трактора

Размеры бульдозерного оборудования: h1=220мм, h2=330мм, h3=370мм, S=2050мм, l1=3590мм, l3=85мм, l2=2600мм, l4=1060мм.

Рама неповоротного отвала представляет собой конструкцию, на которую действуют силы в различных плоскостях. Кандидат технических наук Н.В. Федотов и В.Н. Николаев предложили для простоты расчета привести все силы к такой системе, когда часть нагрузок будет действовать в одной плоскости, а часть – в другой, т.е. расчет будет сведен к расчету двух плоских конструкций: шарнирно-рычажной в вертикальной плоскости и рамной в горизонтальной плоскости. Рама в горизонтальной плоскости является трижды статически неопределимой. На нее действует сила:

где b – угол между горизонталью и осью гидроцилиндра. Кроме того на систему действуют моменты:

и

Схема основной системы, полученной после удаления лишних связей и замены их неизвестными усилиями, представлена на чертеже (в). Так как система и нагрузки симметричны, то для ее раскрытия необходимо решить систему канонических уравнений с двумя неизвестными:

Х1 и Х2 – неизвестные усилия, определяемые при решении приведенной системы уравнений;

- перемещения по направлению этих неизвестных от самих неизвестных, равных по величине единице;

- перемещения по направлению одного лишнего неизвестного от действия второго единичной величины;

- перемещения по направлению соответственно первого и второго неизвестного от нагрузки.

С татическое усилие на отвал: где – 0,9-0,95, максимальное значение коэффициента использования сцепного веса для гусеничных базовых машин.

Динамическое усилие на отвал:

, где - суммарная жесткость препятствия и системы навесного оборудования.

, где - жесткость кирпичного столба. , где - коэффициент жесткости навесного оборудования на кг веса трактора.

Таким образом, горизонтальное усилие равно:

Определяем усилия в шарнирах крепления рамы в вертикальной плоскости. Усилие в гидроцилиндрах определяется из соотношения (сумма моментов относительно оси А и В).

Вертикальные реакции в шарнирах А и В равны, так как Ррасч приложена в середине отвала и усилие S также расположено относительно этих шарниров:

В горизонтальной плоскости горизонтальные реакции в шарнирах А и В равны:

Определяем реакции опор от внешней нагрузки в основной системе:

Определим реакции опор от сил X1=1:

От сил Х2 реакции опор определим в основной системе изгибающие моменты от внешней нагрузки и неизвестных сил Х1 и Х2:

От единичных моментов Х1:

От единичных сил Х2:

Чтобы определить неизвестные Х1 и Х2 найдем величины перемещений:

Момент инерции толкающих брусьев равен:

Для определения величины перемещений необходимо знать момент инерции отвала J2 относительно главных осей. Как показали экспериментальные исследования, проведенные ВНИИСтройдормашем, в работе отвала участвует только его нижняя часть высотой порядка 0,3Н (или высоты нижней балки). Момент инерции отвала J2, подсчитанный для этого типа бульдозеров, равен

Следовательно, отношение

Вычисляем силы Х1 и Х2:

Теперь, умножив все ординаты эпюр от единичных сил на величиныХ1 и Х2 и сложтив эти ординаты с соответствующими ординатами эпюры Миз от силы Ррасч в основной системе, получим эпюру изгибающих моментов в статически неопределенной системе.

Вычисленные реакции опор от сил Х=1 и Х=2 также умножим на полученные значения Х1 и Х2; геометрически складывая их с реакциями опор от сил Ррасч, получим фактическое значение реакций опор.

Строим эпюру поперечных сил Q. Чтобы определить усилия, действующие на отдельные элементы рамы, рассмотрим силы, действующие в вертикальной плоскости. Моменты М1 и М2:

Для определения усилий Rm и Rn от действия силовых факторов в вертикальной плоскости напишем уравнения моментов относительно точек m и n:

Сила, действующая вдоль толкающих брусьев:

Сила, действующая вдоль подкоса:

После того как мы нашли нагрузки в узлах, мы можем рассчитать соединение в бульдозерном оборудовании на прочность. К примеру, рассчитаем прочность пальца, который соединяет подкос с отвалом.

В работе пальцев основное значение имеют деформации среза и смятия. Касательной напряжение при срезе: , где - сила, вызывающая срез, - площадь среза. Размеры пальца: d=50мм, l=110мм.

Напряжение смятия: , где - сила, вызывающая смятие, - площадь смятия.

По справочнику конструктора машиностроителя В.И. Анурьева найдем допускаемые напряжения для пальца, сделанного из стали 45 при термообработке - ТВЧ: , следовательно, допускаемые напряжения больше напряжений, полученных в нашем расчете, значит, палец выдерживает максимальную нагрузку и может эксплуатироваться.

Расчет производительности бульдозера

Выбираем скорости движения на участках: набор грунта v_н=4,4 км/ч,

транспортирования v_m=6,45 км/ч, движение задним ходом v_зх=8,87км/ч.

Продолжительность элементов цикла t=l_i/v_i

где: l_i – длина участка м, v_i – скорость движения машины м/с.

Продолжительность набора грунта:

транспортирования грунта:

движения задним ходом:

Дополнительное время на переключение скоростей, разгрузку и распределение грунта t₄=30c

Продолжительность цикла:

Число циклов за один час работы:

Коэффициент, учитывающий потери грунта:

Производительность бульдозера по формуле:

Производительность бульдозера м³/ч, при разработке и перемещения грунта:

где a = h/tg – ширина призмы грунта впереди отвала м; – угол естественного откоса грунта в движении град; – коэффициент, учитывающий потери грунта, принимается равным 1-0,005L; L – дальность перемещения грунта м; n – число циклов за 1 ч работы; t – продолжительность цикла с;

t₁ – время резания грунта, с; v₁ – скорость движения трактора при резании грунта м/с; t₂ – время перемещения грунта, с; l₂ – путь перемещения грунта м;

v₂ – скорость движения трактора при перемещении грунта м/с; t₃ – время обратного хода трактора с; v₃ – скорость движения трактора при обратном ходе м/с;

t₄ – дополнительное время с, (в дополнительное время входит время на переключение скоростей до 5 с, на подъем и опускание отвала до 4 с, на разворот трактора до 10 с, на распределение грунта и др.);

k_p – коэффициент разрыхления грунта, т.е. отношение объема рыхлого фунта к объему того же грунта в плотном теле.

Объем работ, которую необходимо выполнить бульдозеру, сделать выемку объемом 40х100х1=4000 кубических метров. Следовательно ему понадобиться 4000/108 =37 часа.