Одноковшовый экскаватор для липких грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«Институт транспорта»

Кафедра «Транспортные и технологические системы»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине: Машины для земляных работ

Тема: Одноковшовый экскаватор для липких грунтов

Выполнил: студент группы ПТС-18-1

Буслаев Н.В.

Тюмень 2022 г.

Содержание

Введение

1. Выбор базовой машины

1.1 Конструкция и принцип действия одноковшового экскаватора

1.2 Классификация одноковшовых экскаваторов

1.3 Технические характеристики одноковшовых экскаваторов и выбор базовой машины

2. Патентный анализ

3. Общий расчет параметров одноковшового экскаватора

3.1 Предварительный выбор габаритов и масс

3.2 Расчет основных технологических сопротивлений

3.3 Определение рабочих скоростей

3.4 Расчет мощностей на используемых механизмах

3.5 Определение КПД трансмиссии

3.6 Определение мощности двигателей на преодоление сопротивлений

3.7 Расчет производительностей

4. Статический расчет

5. Прочностной расчет

5.1 Прочностной расчет пальца крепления зуба экскаватора

5.2 Прочностной расчет гибкого дна

Заключение

Список литературы

Введение

Машины для земляных работ получили широкое распространение в строительной и горнодобывающей промышленности. Такая техника выполняет большой ряд работ, основными из которых являются разработка грунта, его экскавация и частичная транспортировка. Данную технику классифицируют на 4 типа:

1) Землеройные машины;

2) Землеройно-транспортные машины;

3) Машины для подготовительных и вспомогательных работ;

4) Машины специального назначения.

Самой распространенной техникой являются одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, относящиеся к первому типу. Эти машины обрели широкую популярность их использования, так как они помогают легко выполнять поставленные задачи различного типа и сложности. Данный вид экскаваторов является универсальной техникой за счет возможности смены различного основного и дополнительного рабочего оборудования, будь то ковш, грейфер, драглайн, рыхлитель и т.п. Это является большим преимуществом перед многоковшовыми экскаваторами, которые в свою очередь сложнее в конструкции, а их использование имеет более узкую эксплуатационную направленность.

Одноковшовые экскаваторы в основном эксплуатируются в сферах дорожного и гражданского строительства, горнодобывающей промышленности и карьерах. Их используют для выемки грунта: гранита, песка и прочих пород; копают различного рода траншеи и котлованы, создаются насыпи, обустраиваются дамбы. Также экскаватор может загружать разработанный грунт в транспортирующие средства: самосвалы, вагоны, баржи и т.д.

Одноковшовые экскаваторы довольно практичны в применении, однако, различные климатические условия и свойства грунта не позволяют выполнять работу техники с наибольшей эффективностью, поэтому экскаваторы нуждаются в модернизациях, как правило, связанных с его рабочим оборудованием.

Одной из таких проблем являются липкие и вязкие грунты, налипающие на ковш одноковшового экскаватора. Липкость - это такое физико-механическое свойство, когда грунт во влажном состоянии присоединяется к поверхности рабочих органов при положительной температуре окружающего воздуха.

Поэтому целью данной курсовой работы будет модернизация одноковшового экскаватора, который смог бы работать с липкими грунтами, избегая их налипания на рабочий орган вовсе или в большом количестве.

1. Выбор базовой машины

1.1 Конструкция и принцип действия одноковшового экскаватора

Одноковшовый экскаватор - это машина циклического действия на поворотной платформе, рабочим органом которой чаще всего является такое сменное оборудование как ковш, закрепленный на стреле, рукояти или канатах. Минимальный объём ковша может быть менее 0,1 м³ и достигать объёма до 10 м³, а исходя из индексации одноковшовых экскаваторов, данная машина распределяется на 8 типоразмерных групп, которая в свою очередь зависит от таких параметров экскаватора как: эксплуатационная масса (т), объём ковша (м³) и мощность двигателя (кВт).

Экскаваторы используют для разработки, перемещения, погрузки и укладки грунта, копания траншей и котлованов. При работе корпус землеройной машины остается неподвижным относительно грунта. Тяговое усилие одноковшового экскаватора создается не за счет перемещения самой конструкции машины, как, например, в скреперах или погрузчиках, а за счет механизмов экскаватора.

Разберем конструкцию одноковошового экскаватора на наглядной схеме (Рис.1.1). Одноковшовый экскаватора отечественного производства компании UMG - UMG-E220W (Рис.1.2.)., в которую входят такие заводы как: Эксмаш, Тверской экскаватор, Брянский арсенал, Челябинские строительно-дорожные машины, UMG-Рыбинск.

Экскаватор имеет пневмоколесное ходовое оборудование 11, оснащен поворотной платформой 2 и рабочим органом - ковшом (обратной лопатой) 8. На поворотной платформе 2 размещен двигатель 1 и кабина оператора 3.

Спереди пневмоколесного ходового устройства 11 установлен отвал 9, который предназначен для подготовки, расчистки территории места работы самого экскаватора, а сзади размещены аутригеры - выносные, гидрофицированные опоры, предназначенные для повышения устойчивости машины. Стоит отметить, что отвал 9 также может выполнять функцию передней опоры экскаватора. Рабочее оборудование экскаватора ЕК-18 включает в себя стрелу 4 со стреловыми гидроцилиндрами 10, рукоять 6 с гидроцилиндром 5, отвечающим за движение рукояти и ковша (обратной лопаты) 8 с гидроцилиндром 7, также отвечающим за движение ковша.

Рисунок 1.1. Схема одноковшового экскаватора на пневмоколесном ходу UMG-E220W: 1 - двигатель; 2 - поворотная платформа; 3 - кабина оператора; 4 - стрела; 5,7,10 - гидроцилиндры рукояти, ковша, стрелы; 6 - рукоять; 8 -ковш (обратная лопата); 9 - отвал; 11 - пневмоколесное ходовое оборудование; 12 - аутригеры

Стоит отметить, что поворотная платформа может быть полноповоротной и. не полноповоротной. Полноповоротная платформа позволяет машине стоять неподвижно во время работы, благодаря этому экскаватор сможет выполнять свою работу на все 360 градусов, что значительно облегчает технологию рабочего цикла экскаватора.

Пневмоколесный ход, автомобильная база или база пневмоколесного трактора экскаватора способствует хорошей мобильности одноковшовых экскаваторов, как на рабочей площадке, так и в городских условиях, при этом, не нанося вреда дорожному покрытию, что бесспорно является большим достоинством таких типов ходового оборудования.



Рисунок 1.2. Одноковшовый экскаватор на пневмоколесном ходу UMG-E220W

Перечисленные технические возможности можно отнести к преимуществам данного вида землеройной машины. Это помогло стать одноковшовым экскаваторам универсальной техникой и получить широкое использование по всему миру. Но как же все-таки работает одноковшовый экскаватор?

Принцип действия одноковшового экскаватора относительно прост. Стрела и рукоять машины регулирует высоту, длину и глубину экскавации грунта. Рабочий орган в виде ковша производит разработку грунта и наполняется, затем машинист экскаватора, регулируя рукоять и стрелу гидроцилиндрами, поднимает или же опускает наполненный ковш грунтом, производит его разгрузку на поверхность в специально отведенное место, либо же высыпает грунт в транспортное средство. Затем возвращает машину в исходное положение и продолжает работу. Это называется рабочим циклом одноковшового экскаватора - четыре последовательных операции: наполнение ковша грунтом, перемещение экскаватора или поворот к месту разгрузки с наполненным рабочим органом, разгрузка рабочего органа, возврат в исходную позицию землеройной машины. Затем цикл снова повторяется, пока поставленная рабочая цель и задачи машины не будут достигнуты.

1.2 Классификация одноковшовых экскаваторов

Одноковшовый экскаватор - это машина циклического действия на поворотной платформе, рабочим органом которой чаще всего является такое сменное оборудование как ковш, закрепленный на стреле, рукояти или канатах. Минимальный объём ковша может быть менее 0,1 м³ и достигать объёма до 10 м³.

Одноковшовые экскаваторы можно классифицировать по различным признакам:

· По типу ходового оборудования:

· 1) Гусеничные;

· 2) Пневмоколесные;

· 3) На базе автомобиля;

· 4) На базе трактора;

· 5) На специальном шасси.

· По числу установленных двигателей:

· 1) Одномоторные;

· 2) Многомоторные;

· По типу исполнения рабочего оборудования:

· 1) Канатная подвеска;

· 2) С жёсткой подвеской;

· 3) Телескопическая.

· По типу привода:

1) Механический:

§ Шестеренчатые;

§ Цепные;

§ Клиноременные;

§ Канатные.

2) Гидравлический:

§ Объёмные;

§ Гидродинамические.

3) Электрический:

§ На переменном токе;

§ На постоянном токе.

4) Смешанный:

§ Гидромеханические;

§ Электромеханические.

· По возможности поворота рабочего оборудования относительно опорной поверхности:

· 1) Полноповоротные;

· 2) Неполноповоротные;

· По типу двигателя:

· 1) С двигателем внутреннего сгорания;

· 2) С электродвигателем;

1.3 Технические характеристики одноковшовых экскаваторов и выбор базовой машины

Для выбора базовой машины, составим сравнительную таблицу технических характеристик одноковшовых экскаваторов. Пусть сравниваемые экскаваторы будут на пневмоколесном шасси. В таблице 1 представлены характеристики одноковшовых экскаваторов на пневмоколесном шасси.

На основе анализа таблицы технических характеристик экскаваторов на пневмоколесном ходу, принято решение взять базовую машину экскаватора UMG-E220W. Данная модель пневмоколесного экскаватора имеет наибольшее усилие при копании - 130,5 кН, наибольшую ёмкость ковша - 1,25 м³, а также скорость поворота 7 об/мин., время рабочего цикла 13,5 секунд, что позволит быстрее и в больших объёмах выполнять свою работу. Более того экскаватор UMG-E220W является одной из современных моделей.

Таблица 1

Марка экскаватора	ЕК-14	ЕК-18	UMG-E220W	UMG-E170W
Масса, т	14	18	21,7	16,4
Габаритные размеры, м	8,2х2,5х3.14	9,4х2,5х3,25	9,1х2,5х3,6	8,1х2,5х3,4
Емкость ковша, м3	0,8	1,0	1,25	1,0
Двигатель	Д-245/ Perkins 1104 С-44-ТА	Д-245/ Perkins 1104 С-44-ТА	КАММИНЗ КАМА QSB 4.5 160	Deutz BF 4M 2012 С
Мощность двигателя, кВт	90,5	90,5	120	87
Скорость поворота платформы, об/мин	9	6	7	7
Время рабочего цикла, с	18	18,5	13,5	13,5
Усилие при копании, кН	78,4	93,1	130,5	130,5
Макс. глубина копания, м	4,89	5,77	5,73	5,8
Макс. высота загрузки, м	5,72	6,24	6,41	6,4
Макс. радиус копания, м	8,2	9,1	9,2	9,1

2. Патентный анализ

Рассмотрим некоторое количество патентов, предложенных изобретений с кратким описанием и схемами, направленных в основном на отчистку рабочего органа одноковшового экскаватора от налипшего грунта. У каждого патента постараемся выявить его достоинства и недостатки, но в конечном итоге будет выбран лишь один наиболее рациональный.

Патент РФ № 2149953 [1]. Изобретение относится к рабочему оборудованию одноковшового экскаватора.

Цель изобретения: уменьшить абразивный износ шарнирных элементов привода ковша.

Рабочее оборудование экскаватора включается в себя: привод, рукоять 1 и ковш 2, который выполнен из внешней и внутренней секции, шарнирно соединенных между собой, с рукоятью 1 и приводом посредством тяг и двуплечего рычага 7. Одно из плеч связано через тягу с внутренней секцией 4. Двуплечий рычаг 7 и ось вращения внутренней секции 8 закреплены в верхней части внешней секции со смещением относительно оси крепления последней, при этом второе плечо рычага соединено с приводом и через тягу 9 - с рукоятью 1 (Рис. 2.1.).

Достоинством данного изобретения заключается в уменьшении абразивного износа шарнирных элементов привода ковша, повышении надежности и долговечности рабочего оборудования, улучшении условий работы на переувлажненных и липких грунтах. Все шарнирные элементы привода ковша расположены не на внутренней, а на внешней (задней) части ковша, что исключит их повышенный абразивный износ.

Недостатки изобретения - это сложная, труднореализуемая конструкция и низкая производительность работы одноковшового экскаватора из-за невозможности обеспечения принудительной разгрузки внутренней секции ковша, так как ее перемещение относительно внешней секции ковша не обеспечивает очистку его стенок от налипшего грунта. Соответственно это сокращает объем рабочего оборудования ковша и требует механической очистки.

Рисунок 2.1. Ковш с рычажным очистителем: 1 - рукоять; 2 - ковш, содержащий внешнюю секцию; 3,5,8 - оси; 4 - внутренняя секция; 6 - одноплечий рычаг; 7 - двуплечий рычаг; 9 - шарнирная тяга; 10 - гидроцилиндры привода; 11 - днище

Патент РФ № 2030512 [2]. Изобретение относится к строительным и дорожным машинам и может быть использовано на экскаваторах.

Цель изобретения - улучшение разгрузки ковша экскаватора при работе на липких грунтах.

Стандартные параметры ковша остаются неизменными, однако применяются незначительные модернизации, а именно: сделать днище в виде набора T-образных пластин, прикреплённых к двум тросам, один конец которых шарнирно прикреплен к передней поперечной связи боковых стенок, а другой - также шарнирно к верхней части днища. Выполнение днища ковша из набора Т-образных пластин обеспечивает жесткость этих пластин и крепление к канату. Крепление тросов к переднему поясу и верху ковша обеспечивает подвижность днища и очистку, как самого днища, так и боковых стенок ковша, т.е. принудительную очистку ковша при разгрузке (Рис. 2.2.).

Рисунок 2.2. Ковш с гибким днищем: 1- боковые стенки; 2 - режущие кромки; 3 - днище ковша из поперечных Т-образных пластин; 4 - тросы, держащие Т-образные пластины

Наличие гибкого днища обеспечивает принудительную очистку ковша экскаватора при работе на липких грунтах и повышение производительности экскаватора, снижение энергоемкости процессов.

Положительными свойствами изобретения являются простота конструкции и технического обслуживания. Недостаток - наличие шарнирных соединений, работающих в земле, что приведет к ускоренному износу шарниров. Поэтому рассмотрим следующее патентное изобретение, которое является улучшением, т.е. модификацией данного изобретения.

Патент РФ № 2030511 [3]. Изобретение относится к строительным и дорожным машинам и может быть использовано на экскаваторах.

Цель изобретения - улучшение разгрузки ковша экскаватора при работе на липких грунтах.

За основу берется конструкция ковша предыдущего патентного изобретения и улучшается таким образом, что происходит замена верхних шарниров на двойные поворотные блоки. Одни концы тросов шарнирно присоединены к режущей кромке, а другие через двойные поворотные блоки - к рычагам привода ковша (Рис. 2.3.).

Рисунок 2.3. Модернизированный ковш с гибким днищем: 1 - боковые стенки; 2 - режущие кромки; 3 - днище в виде Т-образных пластин; 4 - тросы; 5 - двойной поворотный блок; 6 - рычаг привода ковша

Набор грунта производится обычным путем посредством поворота стрелы и ковша. В начальном положении экскавации днище ковша будет не полностью повторять очертания боковых стенок 1, потому что тросы 4 будут за счет исходного положения рычага 6 привода ковша, на которой закреплены тросы 4. Это приводит к снижению энергоемкости копания, т.к. грунту не надо перемещаться по всей глубине ковша. Впоследствии по мере поворота ковша днище под действием собственной массы и массы грунта занимает положение, соответствующее контуру боковой стенки, и грунт продолжает наполнять ковш с меньшей энергоемкостью, ведь он заполняет только верхнюю часть лопаты. При разгрузке происходит поворот ковша, и днище принудительно за счет воздействия на тросы рычага 6 начинает разгрузку ковша. Набранный в ковш материал быстро освобождается от воды, проникая через щели Т-образных пластин 3. Разгрузка при этом является принудительной, так как днище очищает боковые стенки и очищается само за счет своей гибкости.

Достоинством следует отметить именно гибкое днище, которое позволяет проводить принудительную разгрузку и лучше отчищать днище ковша, а также замена шарнирных соединений двойными поворотными блоками, что обеспечит меньший износ механизма. Недостатком этого изобретения считаю не совершенство конструкции, а именно наличие тросов, которые в процессе эксплуатации имеют возможность оборваться, а также устаревание самой конструкции патентного изобретения.

Патент РФ № 97142 [4]. Изобретение относится к ковшам одноковшовых экскаваторов, используемых в большей степени при разработке грунтов, склонных к налипанию.

Цель изобретения - повышение производительности и устранение налипания влажных грунтов к ковшу одноковшового экскаватора.

Достигается результат тем, что по всей ширине днище ковша изнутри устанавливается полоска из упругого эластичного материала, один конец которого прикреплен к ножу, а другой свободный, причем поверхность полоски покрыт гидрофобным материалом или обработан гидрофобным составом. В боковых стенках выполнены щелевые отверстия для стока воды, а в днище - для сообщения с атмосферой, или полоска закреплена с двух концов, или в ковш изнутри вставлен мешок, изготовленный из гидрофобного материала и облегающий внутреннюю поверхность, закрепленный по периметру края ковша с возможностью выворачивания его при разгрузке ковша.

На рис.2.4. показан вид сбоку ковша в разрезе при наполнении грунтом, а на рис.2.5. показано сечение “А”, где проиллюстрированы щелевые отверстия. Ковш содержит днище 1 с задней стенкой, боковые стенки 2, нож 3, навесное устройство 4, полоска по всей ширине днища из упругого, эластичного и гидрофобного материала 5. В боковых стенках выполнены продольные щелевые отверстия 7 для слива зачерпнутой воды, а в днище 1 - щелевые отверстия 8 для сообщения полости между днищем и полоской 5 с атмосферой.

Рисунок 2.4. Ковш с гибким и эластичным днищем: 1 - днище с задней стенкой; 2 - боковые стенки; 3 - нож; 4 - навесное устройство; 5 - полоска по всей ширине днища из упругого, эластичного, гидрофобного материала; 7 - продольные щелевые отверстия для слива зачерпнутой воды

Рисунок 2.5. Сечение “А”: 1 - днище с задней стенкой; 8 - щелевые отверстия

Принцип работы такого вида ковша таков: при захвате липкого грунта с водой полоска 5 прижимается к днищу 1 ковша, зачерпнутая вода сливается через щелевые отверстия 7, при выгрузке грунта полоска 5 легко открывается от днища вследствие наличия щелевых отверстий 8, через которые проникает атмосферный воздух (ликвидируется вакуум). Полоска 5 соскабливает своей боковой кромкой липкий грунт с боковин ковша. На полоске нет липкости вследствие выполнения поверхности ее гидрофобной.

Достоинством изобретения является полоска из эластичного, упругого и, что важно, гидрофобного материала, который препятствует налипанию влажного и липкого грунта. Более того, если сравнить данный вид ковша с изобретением, представленным в патенте РФ № 2030511 [3], то этот имеет конструкционное преимущество из-за отсутствия Т-образных пластин, которые крепятся на тросы. Это значит что конструкция изобретения проще, чем в предыдущих патентах. Щелевые отверстия, расположенные в боковых стенках ковша 7 и между днищем 1 и полоской 5 для сообщения полости, также являются хорошим преимуществом по сравнению с другими предлагаемыми ранее изобретениями.

Исходя из патентного анализа, Патент РФ № 97142 [4] - лучший выбор для модернизации рабочего оборудования одноковшового экскаватора для работы с липкими и влажными грунтами. Данное изобретение повысит производительность рабочего процесса и остановит налипание грунтов на рабочий орган.

3. Общий расчет параметров одноковшового экскаватора

3.1 Предварительный выбор габаритов и масс

Линейные размеры габаритов и значения масс базовой машины берутся на основании выбранного аналога одноковшового экскаватора взятого ранее.

Основные размеры экскаваторных движителей назначают из условий обеспечения их передвижения в заданных режимах, а также устойчивости при экскавации грунта. Для одноковшового экскаватора на пневмоколёсном шасси основными размерами являются его база L и K, ширина колёс В. (Рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Схема базовой машины L=2,57 м; B=1,82 м; K=0,34 м.

Расчёт остальных параметров производим на основании рекомендаций [3] по равенству:

, (3.1)

где А - искомый размер, м; - коэффициент; - коэффициент вариации; L/2 - полубаза машины, м.

Результаты расчётов заносим в табл. 3.1. Размеры показаны на рис. 3.2.

Таблица 3.1. - Размеры элементов рабочего оборудования

Параметр	Обозначение по рис. 3.2	Коэффициент K'	Коэффициент Kv	Размер, м
Длина рукояти	rp	1,39	0,2	1,5
Длина стрелы	rc	3,62	0,15	4
Радиус ковша	rк	0,89	0,15	1,3
Высота пяты стрелы	y1	1,22	0,16	1,8
Высота шарнира цилиндра поворота стрелы	y2	0,93	0,17	1,4
Расстояние от пяты стрелы до шарнира штока цилиндра стрелы	l1	1,5	0,15	2,2
Расстояние от шарнира штока цилиндра стрелы до шарнира поворота рукояти	l2	0,32	0,19	0,49
Длина консоли рукояти	l3	0,49	0,38	0,86
Расстояние между шарнирами	l4	0,24	0,27	0,4
Расстояние между шарнирами	l5	0,35	0,24	0.56
Расстояние между шарнирами	l6	0,35	0,26	0,33
Расстояние между шарнирами	l7	0,27	0,26	0,25
Расстояние от пяты стрелы до шарнира цилиндра рукояти	l8	2,34	0,21	3,63

Массу ковша находим в зависимости от его вместимости

(3.2)

где V - вместимость ковша, принимаем 1,25 м³ .

Принимаем m_k=1000 кг.

Массы рукояти и стрелы выбирают в зависимости от массы ковша (Табл. 2.13, [3]).

Масса стрелы:

т

Принимаем m_с=1400 кг.

Масса рукояти:



Рисунок. 3.2. - Конструктивная схема экскаваторного оборудования

т

Принимаем m_р=450 кг.

3.2 Расчет основных технологических сопротивлений

Основными сопротивлениями в алгоритме расчета одноковшового экскаватора является сопротивление копанию, сопротивление передвижения машины (транспортное сопротивление) и момент поворота экскаватора.

Сопротивление резанию находится по формуле:

P_К = Р_Р + P_ППВ + Р_ЗРО; (3.3.)

где Р_Р - сопротивление резанию, Р_ППВ - сопротивление перемещения призмы волочения и Р_ЗРО - сопротивление заполнения рабочего органа. Это формула расчета по методу Домбровского Н.Г., но так как последние два вида сопротивлений достаточно мало, поэтому рассчитаем только сопротивление резания грунта.

Определение сопротивления резания грунта осуществляется по методу Горячкина В.П. по формуле:

; (3.4.)

где T - тангенциальная сила сопротивления равная; N - нормальная сила сопротивления.

T = р_р·F_ср; (3.5.)

N = Ш·T; (3.6.)

где р_р - удельная сила сопротивления резанию грунта (табличное значение);

F_ср - площадь среза, которая находится по формуле F_ср = B·h (B - ширина рабочего органа, h - толщина срезаемой стружки); Ш = 0,3;

Итак, рассчитаем сопротивление резания грунта для нашей базовой машины:

;

;

где h - толщина срезаемой стружки; B - ширина рабочего органа.

Чтобы определить толщину срезаемой стружки, воспользуемся следующим равенством:

(3.7.)

где q_к - объём ковша (м³);

k_н - коэффициент наполнения ковша;

B - ширина ковша (м);

H₁ - площадь среза грунта;

k_р - коэффициент разрыхления грунта.

Из данного равенства выразим и найдём h:

(3.8.)

;

;

Сопротивление резанию базовой и модернизированной машины равно 37,42 кН.

Чтобы определить транспортное сопротивление одноковшового экскаватора воспользуемся следующей формулой:

(3.9.)

- коэффициент качения, берется из таблицы (- 0,02);

- вес машины (одноковшового экскаватора);

- коэффициент сопротивления воздуху;

- скорость машины;

Определим транспортное сопротивление базовой машины:

Транспортное сопротивление базовой машины и модернизированной равно 4214,25 Н =4,214 кН.

Для определения момента поворота пользуемся формулой:

; (3.10.)

где I -момент инерции, щ - угловая скорость.

Для определения момента инерции воспользуемся следующей формулой:

(3.11.)

где m - масса одноковшового экскаватора; d - диаметр поворотного механизма.

Определим момент поворота:

Н·м

Момент поворота одинаковый у базовой и модернизированной машины.

3.3 Определение рабочих скоростей

Исходя из использования метода на основе аналога базовой машины одноковшового экскаватора, то значения рабочих скоростей, как правило, уже известны. Необходимо знать такие рабочие скорости как: скорость копания, скорость поворота одноковшового экскаватора и скорость транспортировки.

(3.12.)

где n - количество оборотов совершенных за минуту.

Выбранный одноковшовый экскаватор имеет гидравлический привод рабочего оборудования, поэтому скорость копания определяется скоростью хода штока гидроцилиндра.

3.4 Расчет мощностей на используемых механизмах

Транспортная мощность одноковшового экскаватора определяется по формуле:

(3.13.)

Транспортная мощность для базовой и модернизированной машины одинакова и равна

Для определения мощности поворота одноковшового экскаватора воспользуемся формулой:

(3.14.)

Мощность поворота также будет одинакова для базовой и модернизированной машины -

Мощность копания определяется по следующей формуле:

(3.15.)

Значение мощности копания одно как у базовой, так и у модернизированной машины.

3.5 Определение КПД трансмиссии

Значения коэффициента полезного действия для базовой и модернизированной машины таковы:

?_тр = 0,85

?_пов = 0,8

?_к = 0,75

Так как рабочее оборудование одноковшового экскаватора гидрофицирован, то КПД копания примем равный КПД гидравлической системы.

3.6 Определение мощности двигателя на преодоление сопротивлений

Мощности двигателя определяются по формулам:

(3.16.)

(3.17.)

(3.18.)

Показатели мощности одинаковы как базовой, так и модернизированной машины.

3.7 Расчет производительностей

Производительность бывает трёх видов: конструкторская, техническая и эксплуатационная. Для их расчета используют соответственные формулы:

 (3.19.)

где q - ёмкость ковша;

t_ц - время цикла одноковшового экскаватора.

(3.20.)

где К_н - коэффициент наполнения ковша (К_н=1,05-1,1);

К_р - коэффициент разрыхления грунта (К_р=1,1-1,2).

(3.21.)

Где К_д - коэффициент использования мощности двигателя(К_д=0,7- 0,8);

К_в - коэффициент использования машины по времени(К_н=0,8 - 0,9).

Рассчитаем производительности для базовой машины, с учетом времени на отчистку ковша от налипшего грунта:

При расчете производительности добавляем 20 секунд к времени цикла экскаватора, так как столько времени потребуется для очистки ковша от налипшего влажного грунта.

Теперь рассчитаем производительности для модернизированной машины:

Благодаря выбранной модернизации рабочего органа, которая позволяет не налипать влажному грунту, получаем заметно повышенную производительность одноковшового экскаватора.

4. Статический расчет

Произведем расчет на устойчивость одноковшового экскаватора в положении, когда машина стоит на уклоне 5° в сторону стрелы, поворотная платформа установлена поперек ходового оборудования, ковш с грунтом на наибольшем вылете подвернут с помощью гидроцилиндра ковша под рукоять.

Центробежные силы, возникающие от поворота платформы, определим по формуле: экскаватор оборудование усилие устойчивость

F = mrw² = (Gr / g)(рn / 30) = 0,0904Gr (4.1.)

где m - масса сборочной единицы, кг;

r - радиус от оси вращения поворотной части машины до центра тяжести соответствующей сборочной единицы, м;

w - частота вращения поворотной платформы, 1/с;

n - частота вращения поворотной платформы, об/мин;

G - вес сборочной единицы, кН;

g - ускорение силы тяжести, м/с ².

r = x² + y².

Действующие центробежные силы будут равны:

- на поворотную платформу с механизмами:

Fп.п =0,0904·58,02·1,195=6,27 кН;

- на стрелу с гидроцилиндрами:

Fс =0,0904·18,24·2,08=3,43 кН;

- на рукоять с гидроцилиндром ковша:

Fр =0,0904·5,17·5,58=2,61 кН;

- на ковш с грунтом:

Fк+г =0,0904·13,36·6,41=7,74 кН.

Рисунок 4.1. Схема к расчету на устойчивость

Удерживающий момент определим по выражению:

М_у=G_п.п · [(Х_п.п+В)-Z_п.п]+ G_х ·(В·- Z_х ·)+F_п.п· Z_п.п, (4.2.)

где В - расстояние от оси вращения до ребра опрокидывания, В= 1,935м.

М_у =58,02·[(-1,195+1,935)-1,57]+53,26·(1,935·-0,618·)+6,27·1,57 = 158,65кН·м.

Опрокидывающий момент находим по выражению:

М_о= G_с· [(l_c-B)+Z_c]+ F_c· Z_c+ G_p· [(l_p-B)+Z_p]+ F_p· Z_p+ + G_к+г· [(l_к+г- B)+Z_к+г]+ F _к+г · Z _к+г (4.3.)

М_о= 18,24· [(2,08-1,935)+3,65]+ 3,43· 3,65+ 5,17· [(5,58-1,935)+4,34]+ 2,61· 4,34+3,36· [(6,41-1,935)+2,72]+ 7,74 · 2,72 = 136,76 кН·м.

Коэффициент запаса устойчивости найдем по формуле:

k_у= М_у/ М_о=158,65/136,76=1,16> [k_у]=1,15.

5. Прочностной расчет

5.1 Прочностной расчет пальца крепления зуба экскаватора

Исходными данными являются: Р₀₁=37,42кН - сила сопротивления грунта копанию, диаметр пальца - d=30 мм, S₁=31мм - толщина стенок зуба, S₂=57мм - толщина посадочного места. Материал пальца Сталь 30Х, у которой ;

Условие прочности по напряжениям среза определим по формуле:

(5.1.)

Расчётная схема для расчёта пальца представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Расчетная схема крепления зуба

где i - число плоскостей среза (i=2);

d - диаметр пальца (d=30 мм);

- допускаемое напряжение среза,

Условие прочности по напряжению среза выполняется.

5.2 Прочностной расчет гибкого дна

Представим что гибкое дно модернизированного рабочего органа это пластинчатая пружина. Тогда расчет на прочность будет соответствовать расчету пластинчатой пружины

Исходными данными являются: длинна пружины l=1200мм, толщина b=20мм, а также сила сопротивления грунта копанию Р₀₁=37,42кН. Расчетная схема пластинчатой пружины представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. расчетная схема пластинчатой пружины.

Материал пружины Сталь 60С2А, у которой .

Исходя из построенных эпюр Q_y и M_x, определим положение опасного сечения и запишем уравнение прочности на изгиб:

где М_max - максимальный изгибающий момент, кН.

(5.2.)

W_x- момент сопротивления балки имеет прямоугольное сечение, тогда:

(5.3.)

где b- ширина пружины, мм;

h- высота (высота по ковшу =625), мм

б- при h/b?10=0,333

Тогда:

Условие прочности выполняется.

одноковшовый экскаватор мощность прочность палец

Заключение

Экскаватор UMG-E220W был выбран в качестве базовой машины, которая успешно претерпела модернизацию рабочего органа для работы с липкими грунтами. Модернизация рабочего органа была выбрана в процессе патентного анализа изобретений, где был выбран наилучший вариант модернизации рабочего органа одноковшового экскаватора для работы с влажным и липким грунтом.

Были произведены все необходимые расчеты базовой и модернизируемой машины, а именно: расчеты сопротивлений, тяговые расчеты, расчеты на устойчивость машины, а также прочностной расчет. Данное улучшение рабочего органа одноковшового экскаватора позволило сократить время цикла одноковшового экскаватора, то есть повысить производительность работы землеройной машины.

Список литературы

1. Машины для земляных работ: Учебник / Гаркави Н.Г., Аринченков В.И., Карпов В.В. и др.; под ред. Н.Г. Гаркави. - М.: Высш. школа, 1982 - 335 с., ил.

2. Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: учебное пособие / Ш.М. Мерданов, А.А. Серебренников, Д.В. Райшев, А.В. Яркин; под общей редакцией доктора технических наук, профессора Ш.М. Мерданова. - Тюмень: ТИУ, 2019 - 324с.

3. Проектирование машин для земляных работ / Под ред. А.М. Холодова. - Харьков: Выш. шк. Изд-во при Харьк. ун-те, 1986.- 272с.

4. Алексеева Т.В. Дорожные машины, часть 1. Машины для земляных работ / Т.В. Алексеева, Н.А. Артемьев, А.А. Бромберг. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: «Машиностроение», 1972. - 504 с.

5. Проектирование гидропривода машин для земляных работ: Учеб. пособие / Щемлев А.М. - Могилёв: ММИ, 1995. - 322 с.: ил.

6. Тракторы и автомобили: Учебники и учеб. пособия для с.-х. техникумов / Гуревич А.М., Сорокин Е.М. - Изд. 4-е, перераб. и доп. М., “Колос”, 1978. - 479 с. с ил.

7. Машины для земляных работ / Г.В. Кирилов, П.И. Марков, А.В. Раннев и др.; Под ред. М.Д. Полосина, В.И. Полякова. - 3-е изд.перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1994. - 288с.

Размещено на Allbest.ru

...