Проектирование цепного траншейного экскаватора с возможностью копания на мёрзлых грунтах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Цепные траншеекопатели относятся к многоковшовым экскаваторам непрерывного действия. Такие экскаваторы разрабатывают и транспортируют грунт непрерывно. При этом обе операции - копание и транспортирование - выполняются одновременно. Совмещение и непрерывность рабочих процессов отличают экскаваторы непрерывного действия от землеройных машин цикличного действия, таких, как, например, одноковшовые экскаваторы или скреперы, у которых копание и транспортирование грунта производится периодически и последовательно.

Совмещение рабочих процессов и непрерывная разработка грунта в течение всего рабочего времени обеспечивают высокую выработку цепных траншейных экскаваторов и повышение производительности.

Цепные траншейные экскаваторы предназначены для рытья траншей под газопроводы, нефтепроводы, водопроводы, кабели связи, трубопроводы канализации, теплофикации, дренажа и других коммуникаций. Эти экскаваторы имеют ковшовый или скребковый рабочий орган.

Цепные траншейные экскаваторы применяют главным образом для разработки траншей большой протяженности с большими объемами земляных выемок преимущественно вне населенных пунктов, когда не требуется частая переброска машин с одного участка на другой.

1. Общий расчёт экскаватора

1.1 Определение основных параметров рабочего оборудования

Ёмкость ковша предварительно назначают по аналогии с существующими конструкциями экскаваторов, принимая в основном ширину отрываемой траншеи. Так как заданная глубина копания 4.2 м, а ширина траншеи 1,2 м, то принимаем в качестве прототипа экскаватор ЭТН 352 с ёмкостью ковша 45 л.

Рисунок 1.1 - Схема для определения размеров ковша экскаватора

Шаг ковшовой цепи практически принимают в зависимости от ёмкости ковша, следовательно, для данной ёмкости мм.

Шаг ковша

, мм,

где z=4 - число звеньев между ковшами.

мм.

Внутренний радиус шестигранной звёздочки:

мм.

Высота ковша:

мм.

Радиус днища ковша:

, мм,

где мм - ширина звена цепи.

мм.

Длина ковша:

мм.

Геометрическая ёмкость ковша экскаватора:

, ,

где:

;

м - ширина ковша.

.

При расчёте скорости движения цепи необходимо обеспечить достаточное время для падения грунта из ковша в бункер до встречи падающего грунта со следующим ковшом.

Высыпающийся грунт падает вертикально вниз, а ковш движется поступательно, параллельно оси ковшовой цепи. Встреча падающих частиц грунта с ковшом может произойти в точке В (рис.2б).

Для обеспечения полного высыпания грунта до встречи с ковшом следует выбрать такие скорости, чтобы падающие частицы грунта прошли путь y за время, меньшее, чем кромка ковша .

пройдёт расстояние x, т.е.

,

где - скорость ковшовой цепи, м/с; К =1,5 - опытный коэффициент запаса; g=9,81 м/с - ускорение силы тяжести.

При шестигранной приводной звёздочке и углах наклона ковшовой цепи . Значения x и y с достаточной степенью точности можно определить по зависимостям:

;

.

Тогда:

 м/с.

1.2 Определение производительности экскаватора

Конвейер необходимо рассчитывать при условии максимальной производительности. Эта производительность будет наблюдаться на талых грунтах, т.е. на четвёртой категории грунта.

Часовая эксплуатационная производительность:

, ,

где Qк - вместимость ковша в литрах; - коэффициент наполнения ковшей на четвёртой категории грунта; - коэффициент разрыхления грунта; - коэффициент использования рабочего времени.

.

Техническая производительность:

.

Теоретическая производительность:

.

1.3 Определение мощности двигателя

Мощность двигателя экскаватора расходуется на привод ковшовой цепи и на передвижение экскаватора, т.е.

, кВт.

Мощность, расходуемая на копание:

, кВт,

где Н/м2 - удельное сопротивление грунта копанию; - КПД ковшовой цепи; - КПД трансмиссии.

кВт.

Мощность, расходуемая на подъём грунта:

, кВт,

где - объёмный вес грунта; м - заданная глубина траншеи;м - высота подъёма грунта от поверхности земли до уровня разгрузки (устанавливается конструктивно с сопоставлением этой величины у экскаваторов-прототипов).

кВт.

Мощность, расходуемая на передвижение экскаватора при копани грунта:

, кВт,

где - горизонтальная составляющая сопротивления грунта копанию, Н; - сопротивление движению экскаватора, Н; - сопротивление резанию ножей откосников, Н; - сопротивление движению экскаватора на уклон, Н; - скорость рабочего хода экскаватора, м/ч; - общий КПД трансмиссии привода экскаватора.

Горизонтальная составляющая сопротивления грунта копанию:

, Н,

где - угол наклона забоя к горизонту.

Н.

Скорость рабочего хода экскаватора:

м/ч.

Сопротивление движению экскаватора:

, Н,

где - полная сила тяжести экскаватора, Н; f=0,15 - коэффициент сопротивления движению ходового оборудования.

кН.

Н.

Сопротивление движению экскаватора на уклон:

Н.

Сопротивление резанию ножей откосников:

, Н,

где с=25 - число ударов плотномера ДорНИИ; h=2,68 м - толщина срезаемой стружки; L=5,44 м -ширина срезаемой стружки; - угол резания; S= 0,02 - суммарная толщина ножей откосников; - коэффициент, учитывающий способ резания; - коэффициент, учитывающий затупление режущей кромки ножей откосников; - коэффициент, учитывающий заострение ножей откосников.

Н.

Тогда:

кВт.

Мощность, затрачиваемая на привод отвального конвейера:



где - коэффициент, учитывающий сопротивление на барабанах; Н=1,1 м - разность уровней концевых барабанов; Н - вес ленты конвейера вращающихся частей роликовых опор на 1 м длины ленты; - коэффициент сопротивления движению ленты конвейера по горизонтали (для подшипников скольжения);

м - длина конвейера (L=1,64 cм. (1); cм. рис.6, принимается конструктивно);

V=5 м/с - скорость движения ленты конвейера.

кВт.

Мощность, затрачиваемая на сопротивление резанию откосников:

кВт.

Суммарная мощность без гидропривода

кВт.

Мощность, затрачиваемая на привод гидронасосов, питающих цилиндры подъёма рабочего органа:

кВт.

Тогда кВт.

1.4 Расчёт максимального усилия в цепи рабочего органа и подбор цепи

Рисунок 1.2 - Схемы к расчёту усилий в ковшовой цепи (а) и скорости цепи (б)

а) Усилие копания на обе цепи:

, Н,

где S - толщина срезаемой стружки, определяемая из условия наполнения ковша при прохождении забоя, м;

м - длина цепи, находящаяся в забое.

м.

Следовательно:

Н.

б) Усилие подъёма грунта из забоя на обе цепи:

, Н,

где:

м - высота подъёма грунта после выхода ковша из забоя до разгрузки.

Н.

в) Усилие подъёма ковшей и цепей:

, Н,

где - сила тяжести 1 м ковшовых цепей, Н; - сила тяжести ковша, Н; м - расстояние между центрами приводной и натяжной звёздочек, м.

Сила тяжести 1 м ковшовых цепей в сборе с ковшами при четырёхзвенном шаге составляет

Н.

От этой силы тяжести на долю ковшей приходится 55-60%, а на долю цепи 40-45%:

Н,

Н.

Тогда:

Н.

г) Усилие преодоления трения в цапфах холостых колёс и звёздочек от предварительного натяжения цепей

, Н,

где - коэффициент трения в цапфах (для подшипников скольжения); м - диаметр оси холостой звёздочки (принимается конструктивно); м - диаметр холостой звёздочки; - равнодействующая сила давления на вал холостой звёздочки (рис. 1.3).

, Н,

где Н - вес холостой звёздочки и оси (принимается из конструктивных соображений); Н - первоначальное натяжение, необходимое для нормальной работы цепи (рис. 1.4)

Рисунок 1.3 - Схема к расчёту усилий , действующих на ковшовую цепь



Рисунок 1.4 - Схема к расчёту первоначального натяжения цепи

, Н;

где м.

Н.

Тогда:

Н.

Следовательно:

Н.

д) Усилие преодоления сил инерции при работе ковшовой цепи

, Н,

где G=15000 Н - сила тяжести движущихся частей (цепей, ковшей и грунта в ковшах); g=9,81 - ускорение силы тяжести; - число зубьев ведущей звёздочки.

Тогда

Н.

е) Усилие преодоления жёсткости ковшевой цепи.

Рисунок 1.5 - Схема к расчёту усилий в ковшовой цепи

Это усилие получено от работы сил трения в шарнирах цепи за один оборот, деленной на пройденный путь звена цепи (рис. 1.5).

, Н,

где - коэффициент трения; м - диаметр пальца, соединяющего звенья.

, Н.

Н.

, Н.

Н.

ж) Усилие преодоления трения в цапфах вала ведущих звёздочек

, Н,

где м - диаметр приводного вала; м - диаметр приводной звёздочки; - равнодействующая всех сил, действующая на втулки приводного вала, Н.

, Н,

где Н - вес узла приводной звёздочки с валом (принимается конструктивно).

Н.

Тогда:

Н.

Кроме перечисленных выше усилий необходимо учитывать также потери на трение цепей о направляющие детали ковшовой рамы, трение ковшей о жёлоб, трение в перегибах ковшовой рамы, трение очистительных устройств. Эти потери составляют 5-10% от основных усилий в ковшовой цепи.

Таким образом, расчёт ковшовых цепей следует вести на усилие

, Н.

Н.

При возможности неравномерного распределения тягового усилия на одну ковшовую цепь действует усилие:

 Н.

Разрушающая нагрузка цепи:

, Н,

где - коэффициент запаса.

Выбираем тяговую пластинчатую цепь Цепь М450-2-250-2 ГОСТ 588-81

Окружное усилие на ведущих приводных звёздочках:

, Н.

Н .

Окружное усилие на одной звёздочке:

Н.

1.5 Расчёт основных параметров конвейера

Длину конвейера L определяют из технических условий, по которым длина конвейера и расстояние от оси отвала l должны обеспечить необходимую величину бермы у грани траншеи.



Рисунок 1.6 - Схема к расчёту длины конвейера

Величина бермы а принимается равной 1 м.

Из расчётной схемы имеем:

, м,

где l - дальность полёта частиц грунта на уровне вылета (из т. В в т. С по горизонтали).

Значение l определяется из равенства времени перелёта частиц по горизонтали из т. В в т. С и времени свободного падения с набранной частицами высоты во время полёта т.е.

,

где м/с - скорость движения ленты конвейера; g=9,81 м/с - ускорение силы тяжести;

- угол наклона конвейера.

Тогда:

м.

высоту отвала Н, а следовательно, положение по высоте т. В и т. С определяют из соотношения:

, м.

Тогда:

,

где - максимальный коэффициент разрыхления; - угол естественного откоса.

м.

Половина основания отвала:

м.

Тогда:

м

Положение т. А, т.е. размеры и приняты из конструктивных соображений. Окончательно габаритные размеры конвейера определяют геометрическим построением по вычисленным L, H, d, l, но при этом необходимо соблюдать условие, чтобы конвейер в процессе работы не касался поверхности отвала.

Производительность конвейера:

, ,

где F - площадь поперечного сечения грунта на ленте конвейера, ; с=0,98 - коэффициент, учитывающий влияние угла подъёма конвейера, .

Прировняв производительность конвейера к максимальной технической производительности экскаватора , определяется ширина ленты конвейера:

м

Принимаем резинотканевую ленту - Лента 1-600-4-ТК-300-6-2-А.

Для плоской ленты площадь поперечного сечения грунта можно выразить через ширину ленты по формуле

, м2.

С учётом этой зависимости производительность конвейера с плоской лентой можно выразить зависимостью:

,.

..

1.6 Расчёт устойчивости

Расчёт устойчивости экскаватора предполагает определение положения его центра тяжести.

При этом необходимо, чтобы равнодействующая всех сил не выходила из пределов средней трети гусениц, а давлении гусеницы на грунт имело допустимые значения.

Силы тяжести и координаты отдельных частей экскаватора в предварительных расчётах оценивают ориентировочно на основании анализа конструкций экскаваторов-прототипов. В дальнейшем, после детального расчёта всех узлов проектируемого экскаватора, уточняют значения сил тяжести и корректируют расчёт устойчивости.

Положение центра тяжести обычно определяют с помощью верёвочного многоугольника (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 - Схема к расчёту экскаватора на устойчивость

Сила тяжести экскаватора:

, Н,

где - сила тяжести ковшовой рамы с цепями и ковшами, Н; - сила тяжести бункера, конвейера и металлоконструкций, Н; - сила тяжести ходового оборудования, Н; - сила тяжести механизмов привода, Н; - сила тяжести двигателя и противовеса, Н.

В результате построения верёвочного многоугольника значение x окажется больше , т.е. если равнодействующая G выйдет за приделы средней трети длины гусеничного хода, то необходимо перераспределить силы тяжести элементов экскаватора или увеличить противовес.

Положение равновесия можно определить из уравнения моментов сил относительно точки С приложения веса ходового оборудования (рис. 1.7, а).

где G=206500 H - вес экскаватора;

тогда:

, м;

м.

Расчёт на устойчивость сводится к рассмотрению двух положений экскаватора: рабочего - с опущенной ковшевой рамой; нерабочего - с поднятой рамой (транспортный ход машины).

Коэффициент устойчивости в рабочем и транспортном положении должен быть не менее 1,2, т.е.

.

Восстанавливающий и опрокидывающий моменты определяются относительно точки. О, соответствующей ребру опрокидывания.

Коэффициент устойчивости экскаватора в рабочем положении равен (рис 1.7, б).

.

где Н - сила тяжести экскаватора без ковшовой рамы с цепями и ковшами; Н - усилие копания на обе цепи; - угол наклона местности. h=1 м - высота центра силы тяжести экскаватора без ковшовой рамы; м - расстояние от центра приводной звёздочки до центра тяжести ковшовой рамы; m=0,16 м - расстояние от точки опрокидывания экскаватора до центра приводной звёздочки; H=2,4 м - высота центра приводной звёздочки от уровня земли, n=2 м - расстояние от точки опрокидывания до центра тяжести ковшовой рамы.

Коэффициент устойчивости в транспортном положении равен (рис. 1.7, в).

.

Определение давления на грунт.

Среднее удельное давление на грунт:

, ,

где в=0,7 м - ширина гусеничной цепи; l=5 м - длина опорной поверхности гусеницы; F - опорная поверхность экскаватора;

.

Максимальное удельное давление на грунт:

, ,

где х=0,874 м- расстояние от центра силы тяжести экскаватора, определяемого с учётом силы , до середины опорной длины гусеницы (с помощью верёвочного многоугольника); - максимальное допустимое удельное давление на грунт.

.

Следовательно:

.

2. Расчёт привода рабочего оборудования

По принятой скорости цепи рабочего органа и диаметру ведущей звёздочки определяют частоту вращения приводного вала:

, об/мин;

Согласно принятой кинематической схеме определяется общее передаточное число от двигателя до приводного вала:

;

где об/мин - номинальная частота вращения вала двигателя;

.

Общее передаточное число делим на передаточные числа отдельных механических передач (в соответствии с кинематической схемой).

Момент на муфте предельного момента:

, ;

где кВт - номинальная мощность двигателя; - КПД трансмиссии;

.

3. Расчёт механизма передвижения

Механизм передвижения гусеничного экскаватора чаще всего состоит из низкомоментного мотора, редуктора, передающего момент на ведущую звездочку гусеничного движителя, соединительной муфты между выходным валом гидромотора и первичным валом редуктора; колодочного тормоза с гидрозамыкателем. На экскаваторе устанавливают два механизма передвижения, приводящих в движение отдельно каждую гусеницу.

Для гусеничных экскаваторов максимальное потребное тяговое усилие определяют как сумму различных сопротивлений прямолинейному движению на подъем.

, Н,

где , - см. выше; - сопротивление преодоления сил инерции при трогании с места, Н; - сопротивление ветра, Н; - сопротивление трению внутри гусеницы, Н.

Сопротивление преодоления ветра равно:

, Н,

где - площадь лобового контура машины; - ветровой напор.

Н.

Сопротивление преодоления сил инерции равно:

, Н,

где м/с- наибольшая скорость движения экскаватора (берётся на основе опыта проектирования экскаваторов предыдущих моделей); g = 9,81 - ускорение свободного падения; с- время разгона.

Н.

Сопротивление воздуха движению равно:

, Н,

где - коэффициент обтекаемости; м/с - максимальная скорость движения экскаватора.

Н.

Н.

Потребная мощность на привод механизма передвижения равна:

, кВт,

где = 0,85 - КПД механизма передвижения.

кВт.

Для гусеничного ходового оборудования необходимое число механизма равно:

,

где об/мин - частота вращения гидромотора; - частота вращения ведущей звездочки гусеничной цепи.

, об/мин,

где м - диаметр ведущей звездочки

об/мин.

Следовательно

.

Ходовое оборудование гидравлических экскаваторов обязательно должно иметь тормозное устройство. Обычно применяют тормоза колодочного типа с гидро- или пневмозамыкателями. Тормоза должны обеспечивать тормозной момент на оси ведущих колес или звездочек, равный:

, ,

где:

кН.

.

Исходя из найденного значения тормозного момента по справочникам выбираем соответствующие тормозу типа ТКГ, для данного случая подходит тормоз ТКГ-800М.

Заключение

экскаватор отвальный конвейер ковшовый

Гидравлические экскаваторы обладают конструктивными, технологическими и экономическими преимуществами по сравнению с экскаваторами с механическим приводом. Гидравлический привод улучшает и расширяет технологические возможности экскаваторов с различными видами рабочего оборудования.

Экономические преимущества вытекают из конструктивных и технологических особенностей. Расширенные номенклатуры сменного рабочего оборудования и его специфическая кинематика, а так же независимое регулирование скоростей совмещаемых рабочих движений позволяют механизировать работы, которые ранее выполнялись вручную. Это дает возможность ускорить производство работ и высвободить большое число рабочих.

В данном курсовом проекте разработан цепной траншейный экскаватор с глубиной копания 3,5 м и шириной 1,1 м с бесступенчатым регулированием скорости передвижения и с направляющей для нижней ветви ковшовой цепи.

Литература

1. Расчет цепных траншейных экскаваторов: методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине "Машины для земляных работ" для студентов 4 курса специальности 0511. / С.А. Шемякин. - Хабаровск: ТОГУ, 1982.

2. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. Конструкция, теория и расчет. М., изд-во «Машиностроение», 1972.

3. З.Е. Гарбузов, В.М. Донской, Н.В. Карев, Л.Е. Подборский Экскаваторы непрерывного действия. Учеб. пособие для подгот. Рабочих на производстве. М., «Высшая школа», 1975.

4. Добронравов С.С. Строительные машины и оборудование. Справочник для строит. спец. Вузов и инж. тех. раб. - М.: высш. шк. 1991.

5. Строительные машины. Справочник в 2-х т. Под ред. д-ра техн. наук В. А. Баумана и инж. Ф.А. Лапира. Т.1. Машины для строительства промышленности, гражданских, гидротехнических сооружений и дорог. Изд. 4-е, перераб. и доп. М. «Машиностроение», 1976.

6. Зеленин А.Н. и др. Машины для земляных работ. Учебное пособие для вузов. М., «Машиностроение».

7. Машины для земляных работ: Учебник. / Гаркави Н.Г. - М.: Высш. школа, 1982.

8. Хархута Н.Я. Дорожные машины. М., изд-во «Машиностроение» 1968.

9. Кузьмин А.В., Марон Ф.Л. Справочник по расчетам механизмов подъемно-транспортных машин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.:Высш. шк., 1983.

10. Чернилевский Д.В. Курсовое проектирование деталей машин и механизмов: Учебн. пособие. - М.: Высш. школа, 1980.

Размещено на Allbest.ru

...