5.2 Составление расчётной схемы и определение действующих усилий при работе бульдозерного оборудования

Нагрузки, действующие на элементы конструкции бульдозеров и других машин для земляных работ, делятся на нормальные, случайные и аварийные.

Под нормальными понимаются нагрузки, действующие в про­цессе работы машины в условиях нормальной ее эксплуатации. Эти нагрузки являются основными для расчета элементов конструк­ции машины на долговечность.

Случайные нагрузки представляют собой совокупность одновре­менно действующих нагрузок в самом неблагоприятном их соче­тании, которая может иметь место в условиях нормальной эксплуа­тации машины, как во время рабочего цикла, так и при некоторых Специальных режимах. Случайные нагрузки являются основой для расчета элементов конструкции машины на прочность.

К аварийным относятся нагрузки, которые возникают при некоторых редко встречающихся обстоятельствах, но действие их приводит конструкцию в неработоспособное состояние. Расчет конструкции на аварийные нагрузки проводится с целью создания действенных предохранительных устройств и блокировок.

Схема сил, нагружающих бульдозер, представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 — Схема сил, нагружающих бульдозер P - сила реакции грунта на отвал, S - Сила на штоке гидроцилиндра, P_с - реакция в шарнире ,G - сила веса бульдозерного оборудования

В качестве расчетной реакции грунта Р при расчете на прочность принимается ее максимальная величина, соответствующая наиболее тяжелым условиям работы бульдозера. Такими условиями следует считать упор отвала движущегося бульдозера в непреодолимое препятствие в виде жесткого предмета (камня, бревна и т. д.).

Схема сил, действующих на нож отвала при упоре в препятствие представлена на рисунке 5.3

Рисунок 5.3 — Схема сил, действующих на нож отвала при упоре в препятствие

Со стороны препятствия на нож действует нормальная реакция N и сила трения , направленная вверх, по касательной к ножу (противополож­но возможному перемещению отвала относительно препятствия). Кроме этого, на отвал действует реакция грунта на затупленную поверхность ножа, показанная на рис. 5.3, а в виде составляющих R₁ и R₂.

Силы Р₁ (рисунок 4.3, б) и Р₂ - горизонтальная и вертикальная составляющие суммарной реакции грунта на нож, могут быть выражены уравнениями [1] c.32:

; (1)

, (2)

где -угол трения грунта по металлу.

Поскольку наибольшие усилия в механизме подъема в элементах конструкции оборудования будут иметь место при упоре отвала в препятствие нижней его частью, суммарная реакция препятствия на нож должна быть приложена в точке, расположенной на поверхности ножа в непосредственной близости от режущей кромки. Исходя из этого, в качестве точки приложения силы Р условно принимается режущая кромка ковша.

Сила Р₁ определяется тяговыми возможностями трактора и действием динамических сил при упоре отвала в препятствие. Максимальная сила Р₁ может рассматриваться как сумма статической силы Р_1с, соответствующей условию буксования движителей, и динамической силы Р_1д, зависящей от инерции движущихся масс и жесткостей препятствия и элементов конструкции [1] :

.

Максимальная сила Р_1с определяется из уравнения [1] :

где G_сц - сцепной вес бульдозера, кН; при нейтральном положении гидроцилиндров механизма подъема сцепной вес равен практически (без учета весьма малой в этом положении вертикальной реакции в шарнире С) весу трактора G_T; при запертых гидроцилиндрах сцепной вес складывается из веса трактора G_T, веса рабочего оборудования G и вертикальной реакции грунта на отвал Р₂;

- максимальный коэффициент сцепления движителя с грунтом; составляет 0,85-0,95 для гусениц и 0,8-0,9 для пневматических колес.

Действие динамической силы Р_1д может быть оценено коэффициентом динамичности:

При расчете на прочность элементов конструкции бульдозера коэффициент динамичности может быть приближенно принят ; меньшие значения соответствуют условиям стопорения отвала в грунте III категории, большие — упору в препятствие в виде кирпичной кладки. Для бульдозеров с гидродинамической трансмиссией коэффициент динамичности k_д имеет меньшие значения, что обусловлено снижением начальной скорости буксования V₀ по сравнению с номинальной скоростью V_н.

Вертикальная составляющая реакции препятствия на отвал может быть выражена уравнением, полученным путем совместного решения формул (1),(2):

.

Из этого уравнения видно, что максимальное значение силы Р₂, направленной вниз, будет иметь место при R₁=R₂=0 и минимальном угле резания :

.

Необходимо отметить, что действие силы Р₂ при запертых гидроцилиндрах подъема приводит к увеличению нормальной реакции грунта на движители машины, а следовательно, к увеличению максимальной силы тяги по сцеплению, что, в свою очередь, ведет к возрастанию реакции грунта на отвал. Сила Р_1с, будет в этом случае равна:

.

Силу S, возникающую в процессе резания, можно определить из уравнения моментов сил, действующих на рабочее оборудование бульдозера, относительно точки С (рис. 4.2.):

Реакция Р_с в шарнире С, выраженная в виде составляющих Х_с и Z_c (см. рисунок 4.2), кН , определяется из уравнений равновесия сил, действующих на рабочее оборудование [1] :

,

,

где - угол наклона гидроцилиндров механизма подъёма по отношению к горизонтали, град.

Максимальные усилия в шарнирах возникают при внезапном упоре отвала в препятствие.

При движении бульдозера под уклон сила Х_с увеличивается под действием составляющей силы тяжести трактора, кН [1] c.33:

где - угол уклона, град.

Однако, учитывая, что в данном положении действие значительных динамических нагрузок не должно допускаться, а условия перемещения грунта облегчаются, этот случай при расчете можно не рассматривать.