4. Силовые и прочностные расчеты элементов конструкций рабочего оборудования в связи с усовершенствованием конструкции отвала

Определение расчетных знаний действующих сил производится в процессе работы бульдозера для следующих положений, при которых в элементах конструкции рабочего оборудования возникают наибольшие напряжения.

1-ое расчетное положение: упор отвала в препятствие средней точкой при движении по горизонтальной поверхности и запертом положении механизма подъема.

Рис 4.1 Расчетное положение бульдозерного отвала

Как видно из рис.4.1 в таком положении на кромку ножа отвала действует горизонтальное усилие Ру, которое может быть определено по формуле:

где Gсц– сцепная масса бульдозера, т.е. масса базового шасси плюс масса навесного оборудования, Gсц=17680 кг;

ϕmax– максимальное значение коэффициента сцепления движителя с грунтом, принимаемое для гусеничных машин от 0,85 до 0,95. В расчете Ру принимаем ϕmax=0,85;

V– скорость бульдозера в момент встречи отвала с препятствием, м/с, V=0,98 м/с;

Со– суммарная жесткость препятствия и системы навесного оборудования, определяемая, как:

здесь С1– жесткость препятствия (пень сосновый), принимаемая по таблице коэффициентов жосткости препядствий:

С2– жесткость системы навесного оборудования бульдозера, определяется как

С2=α⋅GТ

где α– коэффициент жесткости конструкции навесного рабочего оборудования (бульдозерного) на 1 кг массы базового трактора, принимаемый 9….10 Н/кг, т.е.

С2=9⋅14320=128880Н=128,88кН

2ое расчетное положение: в процессе заглубления отвала при одновременном движении вперед по горизонтальной поверхности трактор вывешивается на средней точке отвала.

Рис 4.2 Расчетное положение бульдозерного отвала.

Рис 4.3 Положение бульдозера при оперании на кромку отвала

В этом положении на кромку ножа действуют силы: вертикальная Рz и горизонтальная Ру (рис.4.2 и рис.4.3).

Вертикальное усилие определяем из выражения:

где GТ– масса базового трактора = 14320Н;

lA– расстояние от оси задней ведущей звездочки до центра тяжести машины, м;

l– расстояние между осями ведущей и ведомой звездочками ходового оборудования, м;

lc– расстояние от режущей кромки ножа до оси передней ведомой звездочки, м.

Тогда 39469,5Н=39,5кН

Горизонтальное усилие определяем по формуле:

где Gб– масса машины в целом, т.е. базового трактора и рабочего оборудования, Н;

Gб=173852 Н;

Pz– вертикальное усилие, равное

Рz=39469H;

ϕmax=0,85 максимальное значение коэффициента сцепления; Go=15360 Н по предыдущему положению

В том случае если трактор вывешивается на крайней точке О1, то действует сила Рх боковое усилие определяем по выражению

3-е расчетное положение: в процессе выглубления отвала при одновременном движении вперед по горизонтальному участку трактор вывешивается на средней точке.

Рис 4.4 Расчетное положение бульдозерного отвала

В этом положении на кромку ножа действует вертикальная Рz и горизонтальная Ру силы (рис. 4.4 и рис. 4.3).

Вертикальное усилие определяется из выражения:

lв– расстояние от центра тяжести до передней оси ведомой звездочки, м;

lв= 2,4м

lc=2,2 м.

Горизонтальное усилие

Так как максимальное свободное тяговое усилие по двигателю

, то горизонтальное усилие определяем как

Из полученных значений сил действующих на отвал в средней его точки для трех положений для дальнейшего расчета на прочность принимаем их максимальные значения, т.е. Ру=174,71 кН (первое положение), Рz=86,3 кН (третье положение) и Рх=33,0 кН.

Определение усилия в шарнирах крепления толкающих брусьев к базовому трактору (рис. ?).

трактору (рис. 3).

Как видно из данного рисунка на отвал бульдозера действуют силы Рх, Ру и Рz .От действия этих в шарнирах О′ и О′′ возникают реакции . Помимо этих сил на отвал действует также усилие в гидроцилиндрах, которое определяем из соотношения (сумма моментов относительно оси О′О′′).

где в,а,s – расстояния до линии действия указанных сил, определяемые конструктивно: в=4,7 м, а=0,73 м и s=2,84 м, тогда

Вертикальная реакция в шарнире О′ определяется из уравнения моментов относительно этой оси:

Рис 4.5 Схема движения сил в шарнирах рамы бульдозера

здесь l – расстояние между шарнирами толкающих брусьев, lш=2,85 м;

λ–угол наклона гидроцилиндров, λ=35о, тогда

Вертикальная реакция в шарнире О′′

Горизонтальная реакция в шарнире О′ определяется из уравнения моментов относительно оси, проходящей через точку О′′ параллельно оси Z:

Горизонтальная реакция в шарнире О′′

Известно, что рама неповоротного бульдозера состоит из толкающих брусьев, раскосов и боковых тяг. В месте крепления толкающего бруса к базовому трактору действуют реакции Rx, Ry и Rz.

Расчетными сечениями толкающего бруса будут: сечение I-I у места крепления раскоса к толкающему брусу; сечение II-II у места крепления боковой тяги к толкающему брусу; сечение III-III у места крепления толкающего бруса к отвалу. Из данных сечений наиболее опасным является сечение III-III у места крепления толкающего бруса к отвалу. Определяем напряжение в данном сечении по формуле:

где hμ– расстояние по горизонтали между точками крепления раскоса к отвалу и толкающему брусу =1218 мм≈1,2 м;

m– расстояние по вертикалям между точками крепления раскоса и толкающего бруса к отвалу, m=812 м=0,81 м;

F– площадь коробчатого сечения толкающего бруса сваренного из двух швеллеров № 12 определяем по формуле F=xz[1-(1-)(1-)], здесь x – высота швеллера, ширина бруса х=100 мм, z – полочка швеллера, толщина бруса, z =80,0 мм, ; т.е.

х – толщина полочки швеллера, Δх=6,0 мм;

Δz– толщина стенки швеллера, Δz– толщина стенки швеллера, Δz=5,5 мм

Выполнив расчет по приведенной выше формуле получим F= см2.

Тогда

где W – условный момент сопротивления изгибу, определяемый W=5δ3;

F – условная площадь поперечного сечения, определяемая F=30δ2;

δ– толщина режущего ножа, см;

l и l1– линейные размеры (рис.4), в см.

δ=1,8 см; l=3,0 см; W=29,16 см3; F=97,2 см2

Допускаемое напряжение, с учетом запаса прочности, п=1,4.

Режущий нож изготовляется из высокопрочной стали 15хСНД с пределом прочности σв=520 МПа и текучести σТ=350 МПа.

Допускаемой напряжение с учетом запаса прочности, п=1,4 будет

Вывод: так как полученное напряжение σ=158 МПа значительно меньше [σ]=250 МПа, то приятный материал ножа и его толщина вполне приемлема.