Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Назначение роторных траншейных экскаваторов

Выбор прототипа. Общее устройство и описание работы

Траншейные роторные экскаваторы - это машины непрерывного действия, в которых все операции рабочего цикла (разработка грунта, транспортирование, разгрузка грунта) выполняются одновременно. Они предназначены для рытья траншей под кабели, нефтепроводы, трубопроводы канализаций и других коммуникаций.

В обычном исполнении экскаваторы отрывают в грунтах I-IV категорий траншеи прямоугольного профиля. Данные экскаваторы применяются как в летнее, так и в зимнее время.

В отличии от траншейных цепных экскаваторов, роторные, как правило, имеют более высокую производительность, но применяются для траншей меньшей глубины.

В качестве прототипа принят экскаватор со следующими техническими характеристиками, представленными в таблице 1.

Таблица 1. Техническая характеристика прототипа (1)

База экскаватора	Трактор С-100
Глубина копания, м	1,8
Ширина копания, м	0,9
Скорости рабочего хода, м/ч	От 64 до 174
Транспортные скорости, км/ч	2,36 - 10,15
Число ковшей	14
Емкость ковша, л	50
Скорость ленты транспорта, м/с	3,6
Масса рабочего органа с транспортером, кг	3950



Рисунок 1. - Роторный траншеекопатель

гидравлический траншеекопатель роторный производительность

Экскаватор состоит из тягача, созданного на базе трактора С-100, и рабочего оборудования. Тягач обеспечивает передвижение экскаватора, являясь базой для навески на него и соединения с ним рабочего оборудования, несет на себе силовую установку и передает движение исполнительным органам рабочего оборудования, ходовому и вспомогательным устройствам. В конструкцию трактора внесено несколько изменений. Для уменьшения среднего удельного давления на грунт опорная площадь гусениц увеличена путем удлинения гусеничных тележек и увеличения ширины башмака до 600 мм; увеличено число опорных катков гусеничных тележек. Центр тяжести трактора смещен вперед.

Рабочее оборудование роторного траншеекопателя обеспечивает отрыв от массива грунта в траншее проектной ширины с откосами или без них при заданной глубине, полный вынос его из траншеи и отсылку в бруствер. Оно включает в себя ротор, установленный на раме на поддерживающих роликах. Рама опирается передним концом на ползун, перемещающийся по направляющей, жестко установленной на тягаче. На втором конце рамы установлен зачистной нож, служащий для профилирования дна траншеи. В транспортном режиме задняя часть рамы опирается на колесо. (1)

Роторный траншеекопатель представлен на рисунке 1. Внутренняя поверхность ротора представляет собой зубчатый сектор, приводящийся в движение с помощью звездочки привода ротора, которая в свою очередь вращается от складывающейся цепной передачи привода ротора.

Снаружи на роторе смонтированы ковши. Подъем ротора осуществляется с помощью гидроцилиндра через цепную передачу.

Роторный экскаватор оборудован ленточным конвейером, установленным внутри ротора для отсылки вынутого из траншеи грунта. Привод конвейера осуществляется от вала привода ротора через реверс-редуктор и цепные передачи.

Траншейные роторные экскаваторы оборудованы автономной силовой установкой с дизелем, устанавливаемым в передней части тягача. Органы управления экскаватором сосредоточены в кабине.

На большие расстояния экскаватор перевозится по железной дороге или на трейлере. Своими ходом разрешается перегон экскаватора на расстояние не более 10 км (по проселочным дорогам с умеренно-пересеченным рельефом, с подъемами и спусками не более 10⁰). Для перевозки по дорогам используется прицеп грузоподъемностью 40 т.

2. Описание кинематической, гидравлической схем роторного траншеекопателя

2.1 Кинематическая схема

Трансмиссия экскаватора состоит из механизмов, передающих движение от двигателя к ведущим колесам гусеничного хода, а также к рабочему органу и транспортеру. В трансмиссию входит муфта сцепления, дополнительная коробка передач, КПП, коническая передача с бортовыми фрикционами, раздаточный редуктор и бортовые редуктора. На экскаваторе установлена рама, на которой смонтированы редуктор привода ротора, механизмы подъема и опускания рабочего органа. Кроме того, на нем установлено оборудование гидравлического привода рабочего хода (1).В рабочем положении основной поток мощности идет от раздаточного редуктора, через редуктор привода ротора (дифференциал) и цепные передачи на редукторы вала привода ротора, а от них мощность передается на ротор и на редуктор привода конвейера. От редуктора привода конвейера через цепную передачу поток энергии идет к приводным барабанам.

Привод ротора через дифференциалы обеспечивает равномерное распределение нагрузок между двумя валами цепных передач и зубчатых зацеплений редуктора вала привода ротора. Кинематическая схема роторного траншейного экскаватора представлена на рисунке 2.

2.2 Гидравлическая схема

Гидравлическая система экскаватора.

Она включает в себя: бак Б, сетчатый фильтр Ф, гидравлический насос Н, распределитель Р, предохранительные клапана КП1, КП2, КП3, КП, обратные клапана К01, К02, теплообменный аппарат АТ, вентили ВН1, ВН2, гидравлические цилиндры Ц1, Ц2.

Рабочая жидкость, забираемая из бака Б насосом Н, проходит через распределитель Р и при соответствующем положении золотника поступает в поршневую полость гидравлических цилиндров. При этом рабочий орган поднимается. При передвижении золотника в положение «опускание» масло поступает в штоковую полость цилиндров и давит на поршень. При этом масло из поршневой полости через клапана КП2 и КО2 поступает в сливную линию. Все гидроцилиндры установлены на раме тягача позади кабины, и все агрегаты соединены стальным трубопроводом.

В системе предусмотрена двухступенчатая защита от перегрузок. Первичной защитой служит предохранительный клапан КП1. Вторичная защита состоит из двух предохранительных КП2 и КП3 и двух обратных КО1, КО2 клапанов. При возрастании давления в поршневой полости выше давления настройки клапана КП2 но переходит в положение перепускного и пропускает рабочую жидкость через клапан КО2 в сливную линию. Для очистки рабочей жидкости от загрязнителей в схеме установлен фильтр Ф. Клапан КП4 предназначен для пропуска масла мимо фильтра при его засорении. По давлению на манометре можно определить степень засоренности фильтра. Для охлаждения рабочей жидкости в схеме установлен теплообменный аппарат АТ. Вентиль ВН2 предназначен для пропуска рабочей жидкости минуя теплообменный аппарат, если охлаждение не требуется (1).

Гидравлическая схема механизма подъема и опускания рабочего органа представлена на рисунке 3.

3. Расчет основных параметров машины

3.1 Определение средней величины удельной работы копания

Для этого необходимо в соответствии с заданием и используя данные таблицы 2 построить графики распределения температуры Т, числа ударов С плотномером ДорНИИ и удельной работы копания E_v. Также надо учитывать, что удельная работа копания прямо пропорциональна числу ударов С, причем при С = 12 величина E_v =260 000 Н/м².

Чтобы определить среднюю величину удельной работы копания необходимо разбить траншею на 16 слоев по глубине, в середине каждого i-го слоя определить температуру, число ударов, а уже затем и саму величину удельной работы копания.

Поскольку поперечное сечение траншеи при разработке мерзлоты имеет прямоугольную форму, средняя величина удельной работы копания может быть определена:

, (1)

где j - число слоев (j =16);

h_i - толщина i-го слоя, м (h_i=0,1 м).

Значения температуры, числа ударов и удельной работы копания определяем графически из рисунка 4 и сводим их в таблицу 2.

Таблица 2. - Температура Т, число ударов плотномером ДорНИИ С, удельная средняя работа копания E_vc

№ слоя	1	2	3	4	5	6	7	8
T,°C	-4,8	-4,4	-3,8	-3	-2,2	-1,6	-1,1	-0,7
C	136	131	122	116	99	87	65	44
Evi,кПа	2925	2838	2662	2448	2102	1842	1387	910
9	10	11	12	13	14	15	16
-0,4	-0,1	0	0	0	0	0	0
25	17	15	15	15	15	15	15
520	378	325	325	325	325	325	325

E_vc=(2925+2838+2662+2448+2102+1842+1387+910+520+378+325·6)·10³·0,1=1248000 Н/м².

3.2 Определение требуемой мощности экскаватора и выбор двигателя

Баланс мощности при копании:

, (2)

где N_e - расчетная мощность дизеля, кВт;

k_вых - коэффициент снижения выходной мощности дизеля, (k);

N_ро - мощность на привод рабочего органа, кВт;

N_конв - мощность на привод конвейера, кВт;

N_пер - мощность на привод передвижения при рабочем ходе, кВт;

N_су - мощность на систему управления (положением рабочего хода и конвейера), кВт.

В начальной стадии выполнения проекта, когда не известны скорости рабочего хода, размеры рабочего органа, конвейера и другие параметры машины, определить достоверно мощности на привод каждого из механизмов невозможно. Поэтому ориентировочно принимаем:

(3)

Мощность на привод конвейера N _конв, кВт:

(4)

где m - эмпирический коэффициент пропорциональности, кВт · ч/мі

(m = 0,05 кВт · ч/мі [2]);

П_Т - техническая производительность экскаватора, м³/ч;

з_пк - КПД привода конвейера, (з_пк = 0,6 [2]);

.

Мощность на привод рабочего органа N_ро, кВт:

, (5)

где N_коп - мощность, затрачиваемая на копание грунта, кВт:

, (6)

где з_ро - КПД рабочего органа, (з_ро =0,9 [2]).

.

N_под - мощность, затрачиваемая на подъем грунта до уровня разгрузки

ковшей, кВт:

, (7)

где г - удельный вес грунта, H/м³ ();

h₀ - расстояние от уровня стоянки экскаватора до уровня, где происходит разгрузка ковшей (конструктивно принимаем h₀=1 м);

h_цт - высота подъема грунта из забоя до уровня стоянки, равная расстоянию от центра тяжести поперечного сечения траншеи до уровня стоянки, м:

;

з_пр - КПД привода рабочего органа:

, (8)

где з_мс - КПД муфты сцепления (з_мс=0,99);

з_дкп - КПД дополнительной коробки передач (з_дкп= 0,95);

з_кпп - КПД коробки перемены передач (з_кпп= 0,96, т.к. поток энергии идет напрямую от муфты предельного момента до коробки отбора мощности);

з_мпм - КПД муфты предельного момента (з_мпм= 0,99);

з_ком - КПД коробки отбора мощности (з_ком= 0,94);

з_цп - КПД цепных передач (з_цп= 0,88);

з_рпр - КПД редуктора привода ротора (з_рпр= 0,93);

з_шр - КПД зубчатого зацепления шестерки с зубчатым венцом ротора (з_шр= 0,96);

По формуле (3) при N_ро=18,6 кВт получим (N_пер+ N_су)=2,11 кВт.

Окончательно мощность дизеля равна:

Принимаем двигатель по справочнику [2]. Техническая характеристика дизеля представлена в таблице.

Таблица 3 - Техническая характеристика дизеля[2].

Характеристика	Д-37 м
Максимальный вращающийся момент,	200 Н·м
Частота вращения при max мощности	1600
Мощность, кВт	29,4
Удельный расход топлива,	265
Масса, кг	380

4. Расчет основных параметров рабочего оборудования

4.1 Определение основных параметров ротора

Диаметр ротора по зубьям, м:

D=1,41·h+0,65, (9)

где h - глубина копания, м (h=1,6 м).

D=1,41·1,6+0,65=2,9 м.

Радиус ротора по ковшам R_k, м:

; (10)

.

Наружный радиус диска ротора R_Н, м:

; (11)

.

Внутренний радиус диска ротора R_в, м:

; (12)

.

Высота сечения кольца h_k, мм:

(13)

.

Толщина сечения кольца д_k, мм:

; (14)

Угловая скорость вращения ротора щ_р принимается из условия гравитационной разгрузки ковшей.

Угловая скорость вращения ротора щ_р, рад/с:

, (15)

где щ_р.кр. - критическая угловая скорость, при которой центробежная сила инерции, действующая на частицы в ковшах, находящихся в зоне разгрузки, уравновешивает их силу тяжести, рад/с:

, (16)

где g - ускорение свободного падения, м/с² (g=9,81 м/с²)

Окружная скорость ротора V_p, м/с:

; (17)



4.2 Определение основных параметров ковша

Число ковшей на роторе Z_k:

; (18)

.

Вместимость ковша из условия обеспечения заданной производительности q, м³

, (19)

где П_Т - техническая производительность, м³/ч (П_Т=30 м³/ч);

k_p - коэффициент разрыхления (для мерзлого суглинка категории II:

k_p =1,57 [2]);

k_н - коэффициент наполнения (k_н=0,3 [2]).

.

Размеры ковша определяем из условия обеспечения необходимой его вместимости.

Ширина ковша b_k, м:

, (20)

где b - ширина траншеи, м (b=0,5 м).

.

Длина ковшей l_k, м:

, (21)

где a_k - шаг ковшей, м:

; (22)

;

l_k=0,5·0,5=0,25 м.

Высоту ковша находим из зависимости:

, (23)

где k_a - коэффициент, учитывающий форму ковша (k_a=0,7).

.

Принципиальная схема ковша представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. - Схема ковша.

Число ссылок в минуту n_c:

(24)

.

Скорость рабочего хода, м/ч

, (25)

где A_пс - площадь поперечного сечения траншеи, м²:

A_пс =b·h=0,5·1,6=0,8 м².

.

Подача на ковш C_0, м:

(26)

Проверяем условие соответствия вместимости ковша и подачи на ковш при его заполнении:

q·k_н=А_пс·С₀ ·k_р; (27)

0,008·0,3=0,8·0,0019·1,57

0,0024=0,0024.

Условие (27) выполняется.

5. Проектирование схемы размещения резцов

С позиции равномерности распределения нагрузки лучшие результаты дают симметричные схемы расстановки резцов.

Проектирование схемы начинается с выбора лезвия резца b_р. Для роторных траншеекопателей при N_е ? 80 кВт принимаем b_р =25 мм [2].

Число групп режущих комплексов на рабочем органе при h ?2,2 м принимаем U=2.

Определяем число режущих комплектов в группе, разрушающей грунт по ширине траншеи:

(28)

где Z_k - число ковшей на роторе (Z_k =18)

.

Принимаем число резцов в режущем комплекте: ч=2.

Необходимое число линий резания:

(29)

.

Находим расстояние между смежными траекториями резания:

(30)

где b - ширина траншеи, м (по заданию: b=0,5 м);

.

Схема размещения резцов показана на рисунке 6.

Подача на резец:

(31)

где С_ок - подача на режущий комплект, (С_ок= С₀ = 0,0019 м);

Максимальная подача на резец:

(32)

где l - вылет резца, м;

Приняв С_{о max}= С_ор находим:

Рисунок 6.-Симметричная схема размещения резцов с удвоенным их числом в крайних линиях резания

6. Эксплутационная производительность машины

Эксплуатационная сменная производительность П_{э. см,} м³/см:

, (33)

где П_Т - техническая производительность, (П_Т =30 м³/ч);

t_см - продолжительность смены, ч (t_см =8,2 ч);

k_в - коэффициент использования экскаватора по времени, (k_в =0,75);

k_г - коэффициент готовности экскаватора, (k_г =0,75);

k_ц - коэффициент, учитывающий увеличение продолжительности рабочего цикла по сравнению с расчетной, (k_ц =0,75).

.

7. Расчет рамы ротора

Целью расчета рамы ротора является подбор пары швеллеров, на которых крепится металлоконструкция ротора.

Материал для металлоконструкции подбирается таким образом, чтобы он сопротивлялся циклическим и ударным воздействиям при отрицательных температурах. Материал должен быть прочным, упругим, обладать коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

По рекомендациям [5] принята сталь, 09Г2 в химический состав которой входят: углерода - 0,09% и марганца -2%.

Расчет рамы произведен при рабочих нагрузках.

Силовой расчет заключается при определении всех нагрузок, действующих на раму, построении эпюр поперечных, продольных сил и изгибающих моментов и проверке прочности рамы.

7.1 Определение расчетных нагрузок и построение эпюр

Во время работы траншеекопатель воспринимает следующие нагрузки: вес ротора и силу на копание, которая переносится на раму ротора с добавлением момента от силы копания.

Вес ротора:

, (34)

где m_рот - масса рабочего ротора с транспортером, кг (по прототипу: m_рот=3150 кг).

.

Вес роторной рамы:

, (35)

где m_ро - масса всего рабочего органа, кг (по прототипу: m_ро=3950 кг).

Н.

Касательная сила в зацеплении:

, (36)

где Rз - радиус основной окружности зубчатого венца, м (Rз=1,45);

Nр - мощность на привод ротора, кВт (Nр=18,6);

kз - коэффициент запаса по крутящему моменту муфты предельного момента (kз=1,2);

- угловая скорость вращения ротора, 1/с (щ_р=1,93).

кН.

Касательная сила на режущей кромке ковша определяется из условия равенства моментов от сил F'_k и F_ф относительно оси вращения ротора О.

Сила F_N; F'_k передаются на раму через ротор и опорные ролики, поэтому определим нормальные реакции опорных роликов 1 и 2 (из рис.):

При переносе точки приложения сил F_N1 и F_N2; F_ф возникают изгибающие моменты:

, (37)

где rр - радиус ролика, м (rр=0,075).

.

.

Силовой расчет выполнен в программе «Raduga 2.0.7.», результаты расчета и эпюры приведены в приложении.

По эпюрам определено опасное сечение - 3 узел.

Прочность балки определяем из условия:

, (38)

где N - продольная сила в сечении, кН (N=34 кН);

M - изгибающий момент в сечении, кН·м (М=41 кН·м);

А и W - площадь и момент сопротивления подбираемого швеллера;

«2» в знаменателе означает, что нагрузка приходится на 2 швеллера;

у_m - предел текучести стали, МПа (для Сталь 09Г2: у_m=300 Мпа);

n₀ - коэффициент запаса прочности (n₀ =1,4).

Методом подбора выбраны 2 швеллера №20 со следующими характеристиками: A=23,4 смІ, W=152 смі. [5]

.

142 МПа<214 МПа - условие (38) выполняется.

7.2 Проверка изгибной жесткости элемента

Должно соблюдаться условие

, (39)

где f - максимальный прогиб балки, м;

l - длина балки, (l=3,7 м);

-относительный прогиб (по справочнику =)

Прогиб балки определяем по формуле:

f=, (40)

где М - изгибающий момент, (М=41·10³ Н·м);

Е - модуль упругости, (для стали: Е = 2,1·10¹¹ Па);

I - момент инерции швеллера, (I=1520·10^-8 м⁴).

Условие (39) выполняется, жесткость достаточна.

7.3 Проверка балки на прочность по эквивалентным напряжениям

Поверку ведем по III-ей теории эквивалентности:

, (41)

где у - нормальные напряжения в балке, МПа;

ф - касательные напряжения при поперечном изгибе, МПа:

(42)

где Q - поперечная сила, (Q=12,2·10³ Н);

I_Z - осевой момент инерции сечения,(I_Z=1520·10^-8 м⁴);

b - ширина сечения, м;

S_Z^сеч - статический момент площади, мі;

, (43)

где A_О.Ч. - площадь отсеченной части, мІ;

y_c - координата центра тяжести отсеченной части, м.

Для расчета касательных напряжений строим таблицу.

Таблица 4 - Расчет касательных напряжений по точкам

№	b, мм		ф, МПа
1	76	0	0
2	76	7,6·0,9·9,1=62,2 смі
3	5,2	7,6·0,9·9,1=62,2 смі
4	5,2	(62,2+0,52·9)·3=201 смі



Рисунок 8 - Эпюры нормальных и касательных напряжений

Наиболее опасное сечение находится в точке 3.

По формуле (41):

Условие (41) выполняется.

7.4 Проверка местной устойчивости балки

Расчет производим по методу допускаемых напряжений.

Условие расчета:

, (44)

где у_кр - критическое нормальное напряжение, МПа;

ф_кр - критическое касательное напряжение, МПа;

n₀ - коэффициент запаса прочности, (n₀= 1,4).

, (45)

где д - толщина швеллера, (д =5,2 мм);

h - высота швеллера, (h =200 мм).

, (46)

где a - длина швеллера, (a = 3700 мм).

Действующие нормальные и касательные напряжения определены ранее:

.

Условие (44) выполняется, устойчивость достаточна.

Список литературы

1. Экскаваторы непрерывного действия. Атлас конструкций. Л.Е. Подборский, З.Е. Гарбузов. М., 1964. 148 с.

2. Экскаваторы одноковшовые и многоковшовые: Учебное пособие по курсовому проектированию / Сост. Н.В. Мокин, Р.Ф. Саблин, Новосибирск, 1984. 109 с.

3. Н.В. Мокин. Объемный гидропривод. Методические указания по выполнению курсовой работы. Новосибирск, 1999.40с

4. Металлические конструкции. Методические указания к практическим занятиям / Сост. В.А. Глотов, Г.Ф. Тимофеев. Новосибирск, 1998. 25 с.

5. Металлические конструкции. Справочные материалы к практическим занятиям и курсовому проектированию / Сост. В.А. Глотов, Г.Ф. Тимофеев. Новосибирск, 1998. 26 с.

6. СТП СГУПС 01.01-2000. Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформлению. Новосибирск, 2000. 41 с.

Размещено на Allbest.ru

...