Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа содержит 3 чертежа формата А1, пояснительную записку на 5 листах формата А4, включающую 21 рисунка, 11 таблиц, 31 литературных источника,

СКРЕПЕР, ЭЛЕВАТОРНАЯ ЗАГРУЗКА, ТОЛКАЧ, ТЕОРИЯ РЕЗАНИЯ, СИЛА ТЯГИ, ТЯГОВАЯ РАМА, ЕМКОСТЬ КОВША, СКРЕБОК, ЗАСЛОНКА, КОВШ.

Целью проекта является создание самоходного скрепера и геометрической вместимостью ковша 25 м³.

Данная цель достигается тем, что на основании выданного задания был выбран прототип, разработанный в ВНИИСтройдормаш землеройно-транспортная машина ДЗ-116, назначены весовые и геометрические параметры проектируемой машины, рассчитаны механизмы и проведены их проверки.

Эффективность спроектированной машины по сравнению со скрепером прототипом Д-116 достигается путем переноса центра тяжести ковша в сторону приводных колес. при заполнении отсека ковша, расположенного перед элеватором.

Особенностью вновь спроектированной машины является:

- увеличена производительность скрепера;

- возможность копания более толстой стружкой в конце заполнения ковша.

В данной работе проводились расчеты зависимостей силы тяги, производительности, чистого дисконтируемого дохода от емкости ковша для скреперов с разной конструкцией ковша, в том числе и спроектированного.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ СКРЕПЕРОВ С ЭЛЕВАТОРНОЙ ЗАГРУЗКОЙ

1.1 Анализ существующих конструкций с различными типами интенсификаторов

2. ОБЩИЙ РАСЧЕТ СКРЕПЕРА

2.1 Определение основных параметров скрепера

2.2 Тяговый расчет скрепера

2.3 Построение тяговых характеристик

3. РАСЧЕТ ЭЛЕВАТОРА

3.1 Выбор типа цепи для проектируемого элеватора

3.2 Тяговый расчет элеватора

4. РАСЧЕТ ГИДРОМЕХАНИЗМОВ

4.1 Расчет механизма подъема-опускания ковша

4.2 Расчет механизма задней стенки

4.3 Расчет механизма сдвижного днища

4.4 Расчет механизма подъема заслонки

4.5. Принципиальная гидравлическая схема скрепера с элеваторной загрузкой

5. РАСЧЕТ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ ТЯГОВОЙ РАМЫ

5.1 Расчет усилий действующих на металлоконструкцию тяговой рамы

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

6.1 Построение графиков технико-экономических показателей для различных видов скреперов в зависимости от емкости ковша

6.2 Определение зависимости производительности П от емкости ковша q

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



ВВЕДЕНИЕ

В последние годы осуществляется огромная программа капитального строительства. С ростом капитальных вложений быстрыми темпами растут объемы строительно-монтажных работ. Одно из первых мест по объему и трудоемкости занимают земляные работы.

Д.П. Волков писал - «Развитие строительных и дорожных машин (СДМ) всегда направлено на повышение их качественных показателей: экономических, сводящихся к минимизации стоимости выполняемых машинами работ: социальных, обеспечивающих безопасность и улучшение условий труда людей, работающих с машинами; экологических, уменьшающих вредное воздействие машин на окружающую природу».

Скреперами выполняется около 11% объема земляных работ. Распространение скреперов объясняется тем, что ими можно выполнять земляные работы комплексно: копать грунт из массива, транспортировать его к месту разгрузки, отсыпать в искусственное сооружение с планировкой слоев заданной толщины и предварительно уплотнять отсыпанный грунт.

Передовой опыт технологии и организации земляных работ показывает, что по сравнению с распространенным комплексом "экскаватор - самосвал" применение самоходных скреперов позволяет в 2 раза поднять производительность труда и в 2 - 4 раза снизить стоимость выработки при одновременном снижении расхода топлива и экономии других ресурсов.

Отраслью строительного и дорожного машиностроения проводится работа по усовершенствованию конструкций скреперов, улучшению технико-экономических показателей, повышению единичной мощности, гидрофицированию управления, увеличению надежности и ресурса в эксплуатационных условиях, облегчению технического обслуживания и ремонта, улучшению условий труда машиниста и эргономических показателей.

В последнее время значительное внимание уделяется повышению эффективности скреперов за счет активации процесса загрузки ковша, которая позволяет увеличить коэффициент его заполнения, снизить энергоемкость процесса копания, увеличить ресурс использования тягача. однако наряду с положительными качествами такой способ заполнения ковша имеет и недостатки - малая надежность и долговечность загружающего устройства.

Особое внимание при создании скреперов придают улучшению условий и облегчению труда машинистов, что снижает их утомляемость и повышает производительность труда. С этой целью введен электростартерный запуск или управление пусковым двигателем дизеля из кабины; снижены усилия на органах управления; применены удобные подрессоренные сидения, регулируемые по высоте и массе машинистов, остекленные кабины с круговой обзорностью; существенно снижены шум и вибрация на рабочем месте; установлены вентиляция, отопительные приборы, кондиционеры, аптечки, термос. Комплекс приборов позволяющих контролировать работу агрегатов и заправку топливом с рабочего места машиниста.

Облегчение условий работы машинистов способствуют внедрение гидромеханических трансмиссий., применение автоматезированых систем при планировке, которые сводят к минимуму затраты энергии для управления машиной и утомляемость машинистов.

Повышение надежности и срока службы машин обусловлено применением более высококачественных и высокопрочных конструкционных сталей, и материалов, повышением качества изготовления механизмов и деталей, своевременным диагностированием и техническим обслуживанием скреперов, соблюдением сроков проведения профилактических работ, инструкций по эксплуатации. Строгое выполнение правил эксплуатации сокращает количество неисправностей машины и повышает готовность ее к выполнению рабочих операций.

Эффективное использование техники требует высокой квалификации от машиниста, знания устройства машины, правил технического обслуживания и ремонта, безопасной эксплуатации, постоянного повышения знаний и профессионального мастерства, овладение передовыми методами управления и эксплуатации.

Актуальность работы. Изучению процесса копания грунта скрепером посвящены многочисленные исследования, но до настоящего времени недостаточно изучен вопрос увеличения сцепного веса одноосного колесного тягача СА при копании грунта за счет передачи на тягач части веса прицепного скрепера с целью увеличения его тягово-сцепных качеств. Поэтому задача, направленная на обеспечение эффективного набора грунта элеваторным скрепером за счет применения верхней ветви элеватора.

Известно, что надежность и долговечность работы тяговой цепи обеспечивается запасом прочности. На который особое влияние оказывают динамические нагрузки. Применение нижней ветви элеватора способствует снижению динамических нагрузок.

Целью работы является создание конструкции скрепера, способного эффективно выполнять земляные работы с меньшими энергозатратами.

Основная идея работы заключается в том, что поставленная цель достигается применения верхней ветвей скребкового элеватора. Наличие второй верхней горизонтальной ветви позволяет загружать дополнительный отсек, тем самым сдвинуть центр тяжести скрепера ближе к передней ведущей оси. Это в свою очередь увеличивает силу тяги в конце наполнения ковша.



1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ СКРЕПЕРОВ С ЭЛЕВАТОРНОЙ ЗАГРУЗКОЙ

1.1 Анализ существующих конструкций с различными типами интенсификаторов.

Основным недостатком традиционных самоходных скреперов, ковши которых заполняются за счет реализации тягового усилия, наряду с высокой эффективностью, простотой конструкции и надежностью, является необходимость использования "трактора - толкача" при наборе грунта. В связи с этим увеличивается себестоимость разработки грунта, появляется зависимость технологического процесса от толкача, простои в ожидании толкача, невозможность автономного использования скрепера. Также актуален вопрос принудительной разгрузки ковша с помощью загрузочных устройств.

Применение механизированной загрузки грунта в ковш является одним из путей повышения эффективности скреперов, обеспечивающих возможность набора грунта без применения толкача и высокую степень заполнения ковша при работе в различных грунтовых условиях.

Представление о направлениях развития механизированной загрузки скреперов получено на базе анализа патентного фонда. В нем значительное место занимают заявки и патенты на скреперы с принудительной загрузкой ковша. Анализ патентов позволяет классифицировать основные технические решения в несколько групп:

А ). Скребковый элеватор.

Скреперы с загрузкой скребковым элеватором получили наибольшее распространение в мировом скреперостроении (до 50% выпуска). От обычных скреперов они отличаются наличием механизма загрузки в виде скребкового элеватора, установленного в передней или задней части ковша.

У скреперов этого типа, за счет силы тяги ведущих колес осуществляется только передвижение машины и срезание стружки грунта.

Положительные стороны применения этого решения:

-снижения сопротивления копанию грунта (возможность работы без толкача);

-повышенный коэффициент заполнения ковша;

-высокая эффективность при работе на несвязных сыпучих грунтах;

-возможность работать тонкой стружкой;

-высокое качество отсыпки за счет измельчения грунта скребками элеватора;

-возможность заполнения ковша по частям и на поворотах;

-полное использование мощности базового тягача;

-снижение энергоемкости процесса заполнения ковша на20-30% (по сравнению с традиционным);

-снижение стоимости разработки на 20 - 25 %;

-возможность увеличить емкость ковша в 1,5-2 раза ( ограничено транспортными габаритами). Недостатки данного решения:

-меньшая универсальность при работе с различными грунтами;

-большая сложность, громоздкость (повышение веса на 10-20%), стоимость эксплуатации и ремонта;

-динамичность работы механизма;

-наличие быстроизнашивающихся элементов;

-необходимость строгого соответствия между поступательной скоростью машины и скоростью скребков элеватора;

-некоторые потери грунта при транспортировке через элеватор;

-нецелесообразность использования при транспортировке грунта на значительные расстояния. Кроме того, элеватору, расположенному в задней части ковша, присущи следующие недостатки:

-усложнение механизмов загрузки и разгрузки;

-затруднено управление рабочим органом из-за отсутствия обзора зоны загрузки ковша, что требует установки кабины в задней части скрепера и нарушения традиционной компоновки скрепера.

В ). Шнековый элеватор и винтовые загружатели.

Скреперы данного типа оборудуются установленными внутри ковша в зоне режущих ножей вертикальными или наклонными шнеками или винтами (одним или несколькими). Положительные стороны применения данного решения аналогичны оным у скребкового элеватора. Преимуществом является и то, что возможно устанавливать загрузочное оборудование данного типа на скрепер с за грузкой тяговым усилием с незначительными доработками конструкции рабочего оборудования последнего.

К недостаткам шнекового загружателя относятся:

-низкая способность шнеков транспортировать материалы типа грунтов;

-невозможность механизировать процесс по всей ширине ковша;

-конструктивные сложности по закреплению нижнего конца шнека (установка развитых опорных узлов в нижней части ковша затрудняет загрузку и разгрузку).

С), Активная заслонка (гребковый захват).

Скрепер с активной заслонкой характеризуется тем, что накапливающийся грунт, срезаемый ножом, захватывается управляемой заслонкой и перемещается внутрь ковша.

Преимущества активной заслонки:

- полная загрузка ковша;

-простота конструкции.

Недостатки конструкции:

-цикличность загрузки ковша;

-увеличение времени загрузки;

-ухудшение планирующей способности скрепера;

-необходимость разработки специального шасси;

-низкая надежность;

-ограничение максимальной емкости ковша до 10 м³.

D ). Роторные метатели.

Роторные метатели выполняются в виде вращающихся ножевых барабанов, которые устанавливаются как в передней части ковша, так и в задней на дополнительной раме. Метатели есть верхнего и нижнего метания. Может применяться сочетание ножевого барабана с лопастным. Ножевой барабан выбрасывает срезаемый грунт по направляющему кожуху вверх на лопасти лопастного барабана, который, вращаясь с большей скоростью, отбрасывает грунт внутрь ковша. Преимущества роторных метателей:

- огромная производительность механизма; - простота изготовления;

-высокая степень измельчения грунта и его перемешивание, что улучшает качество отсыпаемого слоя. Недостатки роторных метателей:

-высокая степень рассеивания грунта, что приводит к необходимости установки козырьков - ограничителей или ковша закрытого типа, а это увеличивает трудоемкость обслуживания;

повышенные затраты мощности на привод ножевого барабана

Е). Активное днище (секционный ковш).

Скрепер с активным днищем обеспечивает последовательное заполнение каждой ступени ковша с раздвижением днищ по мере их заполнения, однако обладает сложной и металлоемкой конструкцией.

F). Скрепер с активным ножом.

Отличается тем, что повышение эффективности работы скрепера достигается за счет уменьшения усилия на отделение стружки грунта от массива и снижения сопротивления перемещению грунта по ножу в ковш. К этой группе относятся скреперы с небольшими конструктивными дополнениями, выполненными в виде виброножа, поворотного ножа, с боковыми поворотными стенками, с газовой смазкой и других. Данные решения не позволяют обойтись без толкача, либо не заполняют ковш до его полной емкости.

G). Прочие решения.

Отдельную группу скреперов, резко отличающихся по конструкции от всех распространенных типов, представляют скреперы с гребковым ротором, с секционным барабаном и с загрузочным лотком. У скрепера с гребковым ротором внутри размещен ковш в виде цилиндрического барабана с отверстием в верхней части для загрузки грунта. С задней стороны ротор окружен кожухом с плоским ножом в верхней части. Грунт, срезаемый ножом, поступает на гребки ротора, вращающегося за счет подпора грунта и контакта с опорной поверхностью, или принудительно с приводом от колес скрепера. Грунт транспортируется гребками в пространство между кожухом и наружной поверхностью цилиндрического ковша. Над загрузочным отверстием в верхней части ковша грунт ссыпается в ковш.

-У скрепера с секционным барабаном заполнение и разгрузка секций производится поочередно путем поворота ковша на определенный угол отсутствие устройств принудительной разгрузки (разгрузка осуществляется переворачиванием ковшей);

-высокое расположение центра тяжести снижает продольную и поперечную устойчивость;

- низкая надежность;

- емкость ковша до 6 м³.

Скреперы с загрузочным лотком выполняются на базе одноосных тягачей. Они отличаются наличием шарнирно прикрепленного к ковшу лотка, режущая кромка которого расположена вне колесной базы машины. Заполненный за счет тягового усилия лоток принудительно запрокидывается назад. Затем лоток возвращается в исходное положение и операция повторяется. За 3 - 5 операций ковш заполняется полностью. Скрепер с загрузочным лотком имеет малые габариты, загрузка порциями позволяет заполнить ковш большой вместительности без толкача. Недостатками являются низкая эффективность при работе на связных грунтах и более сложная конструкция.

Представленные материалы позволяют сделать вывод, что наиболее перспективными и жизнеспособными являются скреперы со скребковым и шнековым элеваторами.

В качестве информации при выборе темы проекта были проанализированы энергозатраты различных типов скреперов на разработку грунта. Наиболее перспективными оказались скреперы со скребковым и шнековым элеваторами.

2. ОБЩИЙ РАСЧЕТ СКРЕПЕРА

2.1 Определение основных параметров скрепера

Определение оптимальных параметров рабочих органов и рабочего оборудования, при которых обеспечивается минимальная энергоемкость процесса копания, минимальное динамическое воздействие на землеройную машину или максимальная производительность машины, требует нахождения критериев оптимальности, получения математической модели, описывающей наиболее полно процесс взаимодействия рабочих органов с грунтом, и выявления ограничений, которые необходимо учитывать при решении указанной задачи. ^Важнейшими критериями оптимальности рабочих органов землеройной машины являются: минимальное удельное усилие копания R_{1 min} , минимальная удельная работа копания A_ymin , максимальная производительность машины П_max ,минимальный коэффициент R_дmin динамичности.

Процесс минимизации удельного усилия копания в общем случае зависит: от минимизации коэффициента R_Ф формы рабочего органа, т.е. выбора рабочего органа оптимальной формы при S_сжmin и S_max для данного рабочего органа; оптимизации угла резания и соотношения параметров срезаемой стружки b/h; минимизации коэффициента приведения R_прmin=_п/_о , то есть выбора оптимальной для данного рабочего органа схемы взаимодействия с грунтом.

Минимальная удельная работа А_ymin , копания может быть достигнута за счет: минимального среднего усилия копания Р, минимальной длины l_к пути копания и максимального объема V фунта (для ковшовых рабочих органов - в ковше; для рабочих органов отвального типа - перед отвалом; для рабочих органов грейдеров-элеваторов и стругов - грунта, попадающего на транспортирующее устройство).

Максимальная производительность П_max определяется параметрами и рабочими скоростями землеройной машины.

Минимальный коэффициент R_дmin динамичности обусловлен формой рабочего органа (для роторных экскаваторов и числом рабочих органов на роторном колесе); формой и размерами срезаемой стружки; особенностями металлоконструкции рабочего оборудования и кинематики земле
ройной машины и приводом.

Полный вес самоходного скрепера с элеваторной загрузкой грунта складывается из веса порожнего скрепера и веса полезной нагрузки, т. е. перевозимого грунта

; (2.1)

где - полный вес скрепера; кН - вес порожнего скрепера; - вес перевозимого грунта,

; (2.2)

где м³ - емкость ковша; Н/м³ - объемный вес грунта; - коэффициент наполнения; - коэффициент разрыхления грунта,

кН;

кН.

Общий вес машины в груженом состоянии распределяется между передней () и задней () осями соответственно:

кН,

кН.

Для порожнего скрепера развесовка несколько меняется:

кН,

кН.

Определение геометрических параметров ковша скрепера

Ширина ковша скрепера определяется конструктивными соображениями. При известной колее тягача ширина ковша В по внутренним боковым стенкам равна:

, (2.3)

где: мм. - колея тягача; мм. - ширина пневмошины; мм. - необходимый зазор между наружным краем шины и внутренней поверхностью боковой стенки ковша,

мм.

Колею задних колес скрепера назначаем равной колее колес тягача.

Габаритная ширина и внутренняя ширина ковша связаны следующей зависимостью:

, (2.4)

где мм - сумма толщины боковой стенки и ее накладок жесткости, толщины несущей боковой тяги передка и зазоров, необходимых для взаимных перемещений узлов в работе:

мм.

Для построения поперечного профиля ковша, заполненного грунтом, необходимо предварительно определить длину скребкового элеватора по осям звездочек , полную длину элеватора , угол наклона рабочей цепи к горизонту, диаметр ведущей звездочки элеватора , высоту скребка , угол естественного откоса грунта.

В существующих скреперах отношение составляет 1,4…1,78. С увеличением этого отношения удельное сопротивление (на 1 м ³ емкости ковша) в конце наполнения уменьшается. Поэтому рекомендуется принимать m=2…3. отсюда можно определить примерное значение высоты ковша H=1,5…2 м.

Высота боковой стенки определяется из зависимости

=0,45•Н.; (2.5)

Грунт отсыпается механизмом загрузки под углом естественного откоса ₀=35. Элеватор устанавливаем под углом ₀=50.

Диаметр ведущей звездочки зависит от мощности, затрачиваемой на привод скребкового элеватора. В первом приближении диаметр ведущей и натяжной звездочек принимаем равным от 600 мм.

Высоту скребка найдем из выражения

; (2.6)

где - толщина срезаемой стружки,

, (2.7)

где с - время набора грунта; м/с - скорость скрепера при копании,

м,

м.

Рисунок 1 - Схема поперечного профиля ковша

Окончательное значение длины ковша L и других параметров находим конструктивно с учетом известной геометрической емкости ковша q (рисунок 1).

H=2450 мм; h_б=1638 мм; L=4560 мм.

2.2 Тяговый расчет скрепера

Основной задачей данного расчета является проверка соответствия предварительно подобранных основных параметров скрепера требованиям тягового и транспортного режимов работы.

Потребную мощность скрепера определяют из рассмотрения транспортного и тягового режимов работы:

а) Транспортный режим

Потребная мощность двигателя скрепера определяется из условия установившегося движения машины на максимальной расчетной скорости по горизонтальной поверхности:

; (2.8)

с учетом того, что , выражение примет вид

; (2.9)

где - потребная мощность двигателя скрепера; км/ч - максимальная скорость; - КПД трансмиссии; м² - лобовая площадь скрепера; - коэффициент обтекаемости; - мощность, затрачиваемая на привод гидронасосов рулевого управления, кВт.

Принимается мощность двигателя, равная 500 кВт.

б) тяговый режим

Этот режим является наиболее напряженным по использованию силы тяги, при котором происходит набор грунта с одновременным движением груженного скрепера на подъем.

При наборе грунта и движении скрепера на подъем уравнение тягового баланса согласно расчетной схеме (рисунок 2.2) имеет вид

; (2.10)

где - расчетная сила тяги скрепера; - сопротивление перемещению груженого скрепера; - сопротивление грунта резанию.

Рабочий режим неизбежно связан с необходимостью полной реализации тяговых возможностей машины, которые ограничиваются условиями сцепления ведущих колес.

Расчетную силу тяги для скрепера и коэффициенту буксования определяем по зависимости

; (2.11)

где - коэффициент сцепления; - угол подъема.

Сопротивление перемещению груженого скрепера и грунта резанию равны

; (2.12)

; (2.13)

где - коэффициент трения качения колесного хода; н/м² - коэффициент удельного сопротивления грунта резанию,

кН;

кН;

кН;

кН.

Рисунок 2 - Расчетная схема сил действующих на скрепер, при наборе грунта и движении на подъем

Критерием нормального протекания процесса набора грунта для скрепера с элеваторной загрузкой ковша является такое соотношение производительности режущего органа и , при котором

Производительность режущего органа скрепера по объему грунта в плотном теле (м³/ч) определяется зависимостью

; (2.14)

; (2.15)

где - скорость движения скрепера на первой передаче, км/ч; - общее передаточное число трансмиссии привода колесного движителя на первой передаче (по технической характеристике); об/мин - номинальная частота вращения коленвала двигателя (по паспорту двигателя); = 20 % - коэффициент буксования;

м - силовой радиус колеса,

,км/ч

м³/ч,

Техническая производительность скребкового элеватора в м³/ч определим по формуле:

; (2.16)

где м - ширина скребка; - скорость движения скребковой цепи, м/с; - коэффициент наполнения скребкового элеватора; - коэффициент разрыхления грунта.

Скорость движения скребковой цепи определяется по формуле:

(2.17)

.

Условие ? выполняется

Составляется уравнение мощностного баланса, которое показывает, как распределяется мощность, передаваемая к движителям машины, по отдельным видам сопротивлений движению.

Мощность двигателя расходуемая на привод колесного движителя в тяговом режиме определится из зависимости:

(2.18)

Мощность, расходуемую на подъем грунта скребковым элеватором определим из зависимости:

(2.19)

где - КПД рабочей цепи скребкового элеватора;

- теоретическая производительность скребкового элеватора м³/ч;

Теоретическая производительность скребкового элеватора определяется по формуле:

(2.20)

Тогда мощность N_п составляет:

кВт.

Мощность, затрачиваемая на трение грунта, находящегося между скребками элеватора, о грунт в ковше по формуле:

; (2.21)

где - угол наклона оси скребкового элеватора (рисунок 2.1).

кВт.

Общая мощность, затрачиваемая на привод скребкового элеватора, определяется по формуле:

(2.22)

Баланс мощности в тяговом режиме работы скрепера составляется из условия, что максимальной мощности двигателя скрепера было бы достаточно для привода колесного движителя , элеватора , и вспомогательных механизмов , то есть:

. (2.23)

Мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных механизмов, составляет не более 2-3% от мощности, затрачиваемой на привод движителя, поэтому уравнение записывается в виде:

; (2.24)

кВт.

Мощности выбранного двигателя достаточно для выполнения работ.

2.3 Построение тяговых характеристик

Тяговый расчет заканчивается построением тяговых характеристик скрепера, которые представлены на рисунках 3.3, 3.4, 3.5.

Тяговые характеристики ЗТМ строятся для трех основных циклов работы машины:

1) Скрепер начинает набирать грунт. Теоретическая рабочая скорость V_Т1 = 2 км/ч.;

2) Скрепер транспортирует максимальную расчетную массу грунта к месту разгрузки с максимальной расчетной скоростью V_Т2 = 55 км/ч.;

3) Порожний скрепер на максимальной расчетной скорости V_Т3 = 55 км/ч. возвращается к месту производства работ.

Индексы 1,2,3 будут обозначать расчеты для первого, второго, третьего цикла соответственно.

В графической форме выражается зависимость коэффициента буксования движителя (), скорости движения (V), тяговой мощности (N_T), КПД машины () от силы тяги (Т) при её изменении от нулевого значения (холостой ход) до максимальной величины, определяемой условиями сцепления движителя с поверхностью качения или мощностью двигателя при равномерном движении скрепера по горизонтальной поверхности.

Расчет тяговых характеристик для традиционного скрепера и разрабатываемого с верхней элеваторной ветвью.

Тяговые характеристики представляют собой графическое выражение реальных выходных тяговых параметров ЗТМ, определяемых результатами работы колесных движителей, трансмиссии и двигателя.

В основу алгоритма заложена методика построения аналитической тяговой характеристики ЗТМ на пневмоколёсном ходу с механической трансмиссией, рассмотренная в роботах Н.А. Ульянова. Для определения вертикальных нагрузок на мосты тягача и его сцепного веса использовались зависимости (3.1)

При работе на тяговом режиме тяговые характеристики ЗТМ в графической форме выражают зависимость коэффициента буксования колёсных движителей , действительной скорости движения _д часового расхода топлива G_Т, тяговой мощности N_Т, тягового к.п.д. _Т и удельного расхода топлива g_Т от силы тяги Т при ее изменении от нулевого значении (на холостом ходу) до максимальной величины, которая определяется мощностью двигателя или условиями сцепления пневматических шин колёсных движителей с поверхностью качения при равномерном прямолинейном движении ЗТМ по ровной горизонтальной опорной поверхности ни рабочих передачах и максимальной подаче топлива в двигатель.

Для построения тяговой характеристики тягача на тяговом режиме работы (копание грунта) необходимы следующие данные:

Регуляторная характеристика двигателя в функции крутящего момента.

Величина вертикальных реакций грунта на его колёса (сцепной вес тягача).

Передаточное число и механический к.п.д. трансмиссии, а также величина отбора мощности на привод элеватора.

4. Типоразмер пневматических шин.

5. Вид грунта, его состояние и влажность.

Особенностью приближённого аналитического метода построения тяговой характеристики ЗТМ, имеющей двигатель с всережимным регулятором является то, что этот метод позволяет строить тяговую характеристику ЗТМ без регуляторной характеристики двигателя, когда известии только его некоторые параметры: число оборотов коленчатого вала при холостом ходе n_ех и соответствующее ему значение часового расхода топлива G_ен, число оборотов коленчатого вала двигателя n_н при номинальной мощности двигателя N_ен и соответствующее ему значение часового расхода топлива G_ен число оборотов коленчатого вала n_ем при максимальном крутящем моменте двигателя М_еmах и соответствующие ему значения мощности двигателя N_ем и часового расхода топлива G_еч, номинальный крутящий момент двигателя М_ен при номинальной мощности двигателя N_ен (для двигателя М756А: n_ex = 1500 об/мин; n_ен = 1400 об/мин; N_ен = 600 кВт; G_ен = 31,5 кг/ч; М_ен = 4120 Нм; n_ем = 1000 об/мин; М_еmaх = 4530 Нм [27]).

Каждая кривая регуляторной характеристики двигателя (n_e, N_е, G_e заменяется двумя прямыми , соответствующими работе двигателя на регуляторной и безрегуляторной ветвях характеристики. Это позволяет строить тяговую характеристику с применением ЭВМ не прибегая к ручным графическим построениям, используемым при графическом и графо-аналитическом способах построения тяговой характеристики.

На регуляторной характеристике двигателя, построенной в функции крутящего момента М_е (рисунок 3.2), кривую изменения числа оборотов коленчатого вала n_e заменяют двумя прямыми а₁а₂ и а₂а₃ [6, 28], Тогда при работе двигателя на регуляторной ветви характеристики а₁а₂ справедливо уравнение:

где с₁ -- коэффициент, характеризующий регуляторную ветвь характеристики функции числа оборотов коленчатого вала двигателя.

Рисунок 3 - Регуляторная характеристика дизельного двигателя [28]

Число оборотов коленчатого вала двигателя n_еi соответствующее крутящему моменту M_ei определяется из выражения:

, об/мин

где M_ei - текущее значение крутящего момента, развиваемого двигателем, которое расходуется па привод колёсных движителей и на привод дополнительных механизмов, кНм.

Когда двигатель работает на безрегуляторной ветви характеристики а2а3, то используют уравнения:

,

, об/мин;

На регуляторной характеристике двигателя кривую изменении часового расхода топлива заменяют двумя прямыми b1b2 и b2b3. При работе двигателя на регуляторной ветви характеристики b1b2 используют зависимость:

.

Следовательно, текущий часовой расход топлива:

G_Ti=G_ex+c₃M_ei , кг/ч.

При работе двигателя на безрегуляторной ветви характеристики b₂b₃ используют уравнения

G_Ti=G_eн+c₄(M_ei -M_eн), кг/ч

Текущее значение крутящего момента M_ei, которое должен развивать двигатель на тяговом режиме работы не может превышать максимальную величину крутящего момента иначе при M_ei > двигатель тягача заглохнет.

В известных методиках построения тяговых характеристик скреперов с тяговой загрузкой величину крутящего момента двигателя M_ео отбираемую на привод дополнительных механизмов скрепера, рекомендуют принимать в пределах 5… 10 % от или же определять M_ео графически по известной величине отбора мощности N_г.

Определение мощности N_Э затрачиваемой на привод элеватора, а точнее на привод гидронасоса находится по формуле (3.1).

Значение T_i задаётся от Т= 0 кН с шагом 2,5 кН до достижения 80 % буксования движителей одного из мостов тягача, в диапазоне =80…95 % с шагом 1 кН, и далее при > 95 % с шагом 0,25 кН. При достижении движителями одного из мостов 100% цикл заканчивается, и текущее значение T_i принимается за максимальную силу тяги T по сцеплению движителей с грунтом,

Сцепной вес скрепера изменяется в зависимости от наполнения грунтом задней и передней секций ковша.

Вертикальные реакции грунта на оба колеса моста тягача определяем по зависимостям ( ) без учёта сил инерции:

В целях упрощения расчетов делаем следующие допущение: межосевой и межколесный дифференциалы отсутствуют, поэтому частота вращения всех колес тягача одинакова.

Кривые буксования колесных движителей каждого моста тягача строим по зависимостям.

,

где А, В, n - коэффициенты кривой буксования [28],

Для тягача Т-150К рекомендуемое давление воздуха в шинах составляет 01 - 0,2 МП а [13], Для оптимальной влажности плотного свежесрезанного грунта по данным Н.А. Ульянова можно принимать:

при давления воздуха в шинах 0,1 МПа А=0,1; В = 2,31; n = 8;

при давления воздуха в шинах 0,2 МПа А = 0,1; В = 5,48; n = 8.
Определяем силы сопротивления качению колес каждою моста тягача [28]:

, кН;

где f -- коэффициент сопротивления качению движителя при работе на режиме "свободного колеса"; - коэффициент, зависящий от вида грунта (для суглинка 0,36... 0,54 , для супесей 0,54.. .0,71 [10]).

Определяем силовые радиусы шин каждого моста тягача [28];

, м

где r_о -- радиус недеформированной шины (для тягача Т-150К экспериментального СА r_о = 0,692 м), м; Е_т - модуль упругости шины, кН/м. Определяем текущее значение крутящего момента двигателя:

, кНм;

где М_ео - определяется по формулам (3.1), кНм; i_T - передаточное число трансмиссии (для Т-150К на 1-ой передаче i_T = 150,7); _м - механический к.п.д. трансмиссии (_м = 0,85).

Для построения основной зависимости тяговой характеристики - кривой

действительной скорости движения v тягача используем зависимости:

,км/ч;

Исходя из того, что действительная скорость движения мостов тягача всегда одинакова, так как они жёстко связаны между собой, то для определения тяговой мощности каждого моста и общей тяговой мощности используем меньшую из них:

, кВт

Для построения основной зависимости тяговой характеристики - часового расхода топлива от силы тяги тягача используем формулу (2.67) или (2.69).

Построение производной зависимости тяговой характеристики -- кривой удельного расхода топлива g_Т на один кВт в час в функции силы тяги Т осуществляется по формуле:

g_Ti = 1000(G_T/N_Ti), г/кВтч.

На основе вышеизложенной уточненной методики расчета тяговой характеристики полноприводного колёсного тягача прицепного СА разработан алгоритм программы для ЭВМ, который приведен в приложении А. Этот алгоритм был реализован в виде программы для IBM PC в редакторе Excel.

По тяговым характеристикам при разных видах работ цикла мы можем сделать вывод что при рабочей скорости движения для движения хватает тяговой мощности, то есть требуемый крутящий момент двигателя не превышает максимального.

Рисунок 4 - Тяговая характеристика скрепера для первого цикла работы - загрузка грунта.



Рисунок 5 - Тяговая характеристика скрепера для второго цикла работы - транспортирование грунта.



Рисунок 6 - Тяговая характеристика скрепера для третьего цикла работы - транспортирование порожнего скрепера обратно к месту проведения работ.



3. РАСЧЕТ ЭЛЕВАТОРА

3.1 Выбор типа цепи для проектируемого элеватора

Элеватор выполняется в виде двух пластинчатых цепей, к которым крепятся скребки. На нижнем ведомом валу устанавливаются натяжные звездочки, а на верхнем ведущем валу ведущие звездочки. Привод ведущего вала осуществляется от гидродвигателя через коническо-цилиндрический редуктор.

Сперва проводим подбор гидродвигателя по мощности. исходя из ранее найденной мощности элеватора (80,41 кВт.) выбираем два аксиально-поршневых гидромотора типа 312.25 мощностью по кВт каждый и частотой вращения об/мин.

Крутящий момент на валу определяем по формуле

(3.1)

Окружное усилие на ведущих звездочках равно:

, (3.2)

где - передаточное число редуктора привода элеватора; - КПД редуктора привода элеватора; - радиус ведущей звездочки.

Передаточное число редуктора привода элеватора определяется по формуле:

(3.3)

где - частота вращения ведущей звездочки элеватора;

Частота вращения ведущей звездочки элеватора находится из выражения:

(3.4)

Тогда передаточное число редуктора привода элеватора будет равно:

,

Отсюда окружное усилие на ведущих звездочках равно:

кН.

При возможности неравномерного распределения тягового усилия на элеваторную цепь, действует усилие которое определяется по формуле:

(3.5)

Разрушающая нагрузка цепи определяется из выражения:

(3.6)

где - коэффициент запаса.

Следовательно:

кН.

По разрушающей нагрузке подбирается тяговая пластинчатая цепь типа М630 с разрушающей нагрузкой 630 кН., типа 2, исполнения 2, с шагом звена м и погонной силой тяжести Н/м.

Условное обозначение пластинчатой цепи: М630-2-250-2 ГОСТ 588-81.

Так как шаг звена цепи составляет 0,25 м. Скребки элеватора расставляются согласно двойному шагу звена цепи. То есть расстояние между скребками будет равно 0,5 м.

3.2 Тяговый расчет элеватора

Для определения полной тяговой силы цепи элеватора применяется метод последовательного обхода по контуру.



Рисунок 7 - Участки элеватора для расчета нагрузок на цепь методом обхода по контуру

A - внедрение в стружку скребка от точки положения скребка параллельно ножу до точки вертикального положения скребка

B - внедрение в стружку скребка от точки вертикального положения скребка до положения скребка - угла внешнего трения грунта (плоскости скольжения)

C - сопротивление возрастает линейно в зависимости от высоты заполнения ковша, грунт в рыхлом состоянии, который рассматривается как не упругая система

D - возбуждение от окружного тягового усилия, подводимого к приводной звездочке

E - холостой участок цепи.

С точки сбегания цепи с привода к точке набегания последовательно находят натяжения во всех точках и по разности натяжений определяют тяговую силу.

S_n=S_n-1 + W_п = S_n-1 + (w_цq₀ + w_гq_г)·l ± (q_г+q₀)·h (3.7)

где: S_n и S_n-1 - натяжение цепи в конце и начале прямолинейного участка соответственно, Н;

W_n - сила сопротивления движению на прямолинейном участке, Н;

w_ц и w_г - коэффициенты сопротивления движению соответственно цепи и груза;

q₀ и q_г - линейные силы тяжести соответственно ходовой части и груза, Н/м;

l - длина горизонтальной проекции участка трассы конвейера, м;

h - длина вертикальной проекции (высота) участка, м.

Принимается:

l_1-2=0,684; l_3-4=1,776; l_5-6=3,02; l_7-8=1,9 - длины участков элеватора, м.;

=1,05…1,08 - Коэффициент сопротивления перемещению цепи на звездочках;

w_г = 0,4;

w_ц = 0,045;

q₀=К_с·b_c; (3.8)

где: К_с = 2000 - эмипирический коэффициент для двухцепных конвейеров;

b_c = 3,86 м. - ширина скребка;

q₀=2000•3,86 =7,72 кН/м;



(3.9)

S₁ = 5 кН, согласно рекомендации [11];

Производится расчет напряжений в точках 2,3,4, согласно формуле 3.7:

S₂=5+0,045 ·7,72 ·0,684= 5,327 кН;

S₃ = 1.05 ·5,237=5,5 кН;

S₄ = 5,5·0,045 ·7,72 · 1,776 -7,72·1,55 = -8,573 кН;

В точке 5 идет взаимодействие скребков элеватора с грунтом. Схема процесса взаимодействия представлена на рисунке 8.



Рисунок 8 - Схемы зачерпывания скребками срезанной стружки, процесс деформирования грунта скребком на участке А

То есть составляющая силы сопротивления резанию является следствием суммы сопротивлений сопутствующих процессам:

- смятия грунта с последующим уплотнением его в стенку забоя,

- преодоления трения грунта о поверхность кромки скребка, определяемое реакцией упругого последействия уплотненного грунта,

- упругого деформирования массива грунта перед ножом, предшествующего пластическим деформациям сдвига или отрыва элемента скола грунта, которое реализуется поверхностью нижней части ножа толщиной Дh_д .

На рисунке 8 - представлена схема реактивных сил, действующих на скребок S_к и тяговую цепь элеватора при наборе грунта в ковш скрепера. Реактивная сила S_к сопротивления грунта разрушению скребком в зоне контакта ABC (при допущении разрушения пласта грунта скребком не по дуге АС, а по линии наименьшего сопротивления АВ) может быть определена по зависимости:

(3.10)



где: к_с - коэффициент сопротивления грунта разрушению (сдвигу) скребком, Н/м².

Принимается к_с = 18000 Н/м²;

b_с = 3,86 м. - ширина скребка;

- радиус окружности, описываемой скребком;

(3.11)

- угол контакта скребка с пластом,

(3.12)

где: h - толщина стружки, срезаемой ножами ковша скрепера

Тогда, согласно формуле 3.10:

Н.

Реактивное усилие , действующее на тяговую цепь элеватора, определяется из уравнения:

(3.13)

Определяется нагрузка в точке 5:



(3.14)

Н

Определяется нагрузка в точке 6:

S₆=S₅+(w_цq₀ + w_гq_г)·l_5-6+(q_г+q₀)·h (3.15)

S₆= 22,712+(0,045 ·7,72 + 0,4·6,552)·3,02+(6,552+7,72) ·2,68 = 69,925 кН.

Определяется нагрузка в точке 7:

(3.16)

Определяется нагрузка в точке 8:

S₈=S₇ + (w_цq₀ + w_гq_г)·l_7-8 (3.17)

S₈=73,42 + (0,045 ·7,72 + 0,4·6,552) ·1,9 = 79,06 кН;

Полное сопротивление в тяговой цепи будет равно:

W_э=S₈-S₁ (3.18)

W_э=79,06-5=74,06 кН;

Необходимое тяговое усилие на приводной звездочке должно удовлетворять условию:

,

кН.

Условие выполняется, следовательно гидромоторы подобраны верно.

Расчетное усилие для тяговой цепи определяется из уравнения:

, (3.19)

где - максимальное натяжение цепи для обеспечения устойчивости скребка от воздействия на него составляющих силы тяжести перемещаемой призмы грунта.

Значение определим по формуле:

(3.20)

Тогда согласно формуле 3.19 расчетное усилие для тяговой цепи будет равно::

кН.

Расчетное усилие для тяговой цепи должно удовлетворять условию:

,

,

Условие выполняется., следовательно цепь выдержит нагрузку.



4. РАСЧЕТ ГИДРОМЕХАНИЗМОВ

4.1 Расчет механизма подъема-опускания ковша

Основная задача расчета сводится к определению усилия, необходимого для подъема заполненного ковша, и подборе гидроцилиндров механизма.

Усилие в гидроцилиндрах , необходимое для подъема и последующего удержания ковша в поднятом положении, определяется из уравнения суммы моментов сил относительно точки О, крепления упряжных балок тяговой рамы к ковшу, (рисунок 5.1) определяется по формуле:

; (5.1)

где , - соответственно вертикальное и горизонтальное усилия, действующие в шкворне со стороны тягача; - момент в шкворне тягача; = 141,5 кН - вес тяговой рамы; м; м; м; м.

Рисунок 9 - Схема к определению усилия подъема ковша



Для определения , воспользуемся следующими формулами:

; (5.2)

; (5.3)

где - коэффициент трения колесного движителя; - коэффициент сцепления; - согласно расчетам в пункте 5.

кН;

кН.

Для определения составляется уравнение моментов сил, действующих на базовый тягач относительно седельного устройства (точка О₁ на рисунке 5.2):

Рисунок 10 - Схема для определения момента в шкворне седельного устройства

Тогда момент будет равен



, (5.4)

где - коэффициент динамичности; - сопротивление качению, кН. Определяется из выражения:

(5.5)

- сила тяги, кН. Определяется из выражения:

(5.6)

G_Т =375 кН - вес тягача, согласно расчетам в пункте 4;

м; м; м,

Определяется момент М_ш:

кНм;

Определяется усилие в гидроцилиндрах, согласно формуле 5.1:

кН.

По усилию S рассчитывается диаметр поршня гидроцилиндра, (мм) согласно формуле:

(5.7)

где I - число гидроцилиндров, i =2; P- максимальное давление в гидроцилиндре P=20 МПа;

- к.п.д. гидросистемы, = 0,6

Тогда:

По найденному диаметру выбираются 2 гидроцилиндра со следующими параметрами:

- диаметр поршня гидроцилиндра мм;

- диаметр штока мм;

- ход поршня мм.

4.2 Расчет механизма задней стенки

Механизм открывания днища ковша обеспечивает свободную разгрузку только части грунта из ковша скрепера. Полная разгрузка ковша, а также очистка от грунта боковых стенок и днища производится принудительно, с помощью специального механизма, который состоит из подвижной задней стенки ковша с роликами качения и гидроцилиндров

Задачей расчета механизма сдвижного днища является, определение необходимого усилия для перемещения откатного днища и подбор соответствующих гидроцилиндров. Расчет механизма разгрузки произведем исходя из условия отказа в работе механизма открывания днища. Такой отказ может произойти в результате поломки гидроцилиндров перемещения откатного днища или заклинивания откатного днища каменистыми включениями, находящихся в грунте. В такой ситуации возникает необходимость опорожнить ковш через ножевую систему после подъема нижнего конца элеватора путем перемещения задней стенки. Расчетная схема механизма представлена на рисунке 11.



Рисунок 11 - Схема усилий, действующих при разгрузке

При определении усилия, необходимого для принудительной разгрузки ковша скрепера, за расчетное положение принимается начало передвижения задней стенки при полной загрузке ковша грунтом

Сила , необходимая для выталкивания грунта, определяется по формуле

, (5.8)

где - сопротивление трения грунта о днище ковша;

- сопротивление трения грунта о боковые стенки ковша;

сопротивление качению роликов задней стенки по днищу ковша;

- сопротивление, связанное с преодолением сил инерции движущейся массы грунта и задней стенки при включении механизма разгрузки ковша.

Сопротивление определяется по формуле:

(5.9)



где q = 25 м³ - ёмкость ковша скрепера;

Н/м³ - объемный вес грунта;

к_Н =1 - коэффициент наполнения ковша;

к_р= 1,175 - коэффициент разрыхления грунта.

Сопротивление определяется по формуле::

скрепер тяговой элеватор экономический

(5.10)

где - активное давление грунта на боковую стенку ковша:

(5.11)

где Н=2,1 м - высота наполнения ковша;

L=3,66 м - длина ковша;

- угол внутреннего трения грунта о грунт.

Сопротивление качению роликов равно:

(5.12)

где кН - вес задней стенки; f=0,125 - коэффициент сопротивления качению роликов.

кН;

Сопротивление определяют по формуле

(5.13)

где - скорость движения задней стенки; t =1 c. - время разгона; g =9,81 м/с ² - ускорение свободного падения,

Сила , необходимая для выталкивания грунта определяется согласно формуле 5,8:

Мощность, необходимая, для разгрузки ковша скрепера определяется из выражения:

(5.14)

где - КПД привода задней стенки,

кВт.

Установленной мощности двигателей на скрепере должно хватить для разгрузки ковша и одновременного движения, то есть:

(5.15)



где: G=998,7 кН. - Максимальный вес груженого скрепера; f=0,055 - коэффициент трения качения колесного хода; б₂ = 9⁰ - угол подъёма участка, по которому едет скрепер;

- мощность, затрачиваемая на привод гидронасосов рулевого управления, в зависимости от максимально требуемой мощности для передвижения на максимальной скорости (согласно расчетов в разделе 2):

кВт.

,

условие 5.15 выполняется.

По усилию рассчитывается диаметр гидроцилиндра:

, (5.16)

Тогда:

По данным выбирается гидроцилиндр со следующими параметрами:

- диаметр поршня гидроцилиндра мм;

- диаметр штока мм;

- ход поршня мм.

4.3 Расчет механизма сдвижного днища

Разгрузка ковша скрепера осуществляется через щель в днище ковша, которая образуется в результате перемещения специального откатного днища. Откатное днище представляет собой щит коробчатого сечения. На откатном днище установлены ролики, с помощью которых оно перемещается по направляющим ковша. Перемещение откатного днища осуществляется двумя гидроцилиндрами. Задачей расчета механизма сдвижного днища является, определение необходимого усилия для перемещения откатного днища и подбор соответствующих гидроцилиндров. Расчетная схема механизма представлена на рисунке 5.3

Сопротивление перемещению откатного днища представим в виде суммы двух сопротивлений:

, (5.17)

где - сопротивление трения грунта в ковше об откатное днище;

- сопротивление качению роликов откатного днища по направляющим ковша.

Сопротивление трения грунта об откатное днище определяют из условия, что две трети веса грунта в ковше оказывают давление на поверхность откатного днища. Тогда определим из выражения

(5.18)

где - коэффициент трения грунта о грунт;

Уравнение может быть определенно из уравнения

(5.19)

где = 6500 Н - вес откатного днища;

- коэффициент сопротивления качению роликов,

Тогда:

кН.

Необходимое усилие в двух гидроцилиндрах для перемещения откатного днища равно:

(5.20)

где б=18⁰ - угол наклона оси гидроцилиндра к плоскости откатного днища при закрытой загрузочной щели.

По усилию Sзас рассчитывается диаметр гидроцилиндра следующим образом:

, (5.21)

Тогда

Выбирается гидроцилиндр со следующими параметрами:

- диаметр гидроцилиндра мм;

- диаметр штока мм;

- ход поршня мм.



4.4 Расчет механизма подъема заслонки

Наибольшее усилие открывания заслонки возникает при разгрузке ковша с «шапкой» в начальный момент ее открывания. Схема сил, действующих на заслонку показана на рисунке 5.4 .из уравнения моментов сил относительно точки O находим:

;

(5.22)

где Gзас =12 кН. - вес заслонки; Gгр- масса грунта в заслонке (условно заштриховано), кН; l1 = 1,75 м; l1 = 1,46 м; l1 = 2,1 м;

Масса грунта в заслонке (Gгр) зависит от ширины заслонки Bзас, ее высоты Hзас, длины L3ас и формы. Для приближенных расчетов принимается:

Gзгр=Kзас•Bзас•Hзас•Lзас•г,; (5.23)

где Kзас- коэффициент учитывающий конфигурацию заслонки, Kзас=0,8;

...