Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Пермский государственный технический университетКурсовая работа
Автогрейдер ДЗ-122 с дополнительным оборудованием дляпрофилировки откосов
Пермь 2010
Содержание
Введение
Патентный поиск
Определение основных параметровавтогрейдера
Тяговый расчёт автогрейдера
Расчёт на прочность оборудованияавтогрейдера
Расчёт основной рамы
Расчёт тяговой рамы
Расчёт отвала
Расчёт механизмов управлениярабочим оборудованием автогрейдера
Механизм подъёма отвала
Механизм поворота отвала
Механизм изменения угла резанияотвала
Механизм выдвижения отвала
Механизм выноса тяговой рамы всторону
Расчёт автогрейдера на устойчивость
Расчёт продольной устойчивости
Расчёт поперечной устойчивости
Расчёт производительности автогрейдера
Техника безопасности
Список литературы
Введение
Автогрейдеры представляют собой самоходные планировочно-профилировочныемашины, основным рабочим органом которых является полноповоротный грейдерныйотвал с ножами, установленными под углом к продольной оси автогрейдера. Отвалразмещён между передним и задним мостами пневмоколёсного ходового оборудования.При движении автогрейдера ножи срезают грунт и отвал сдвигает его в сторону.
Автогрейдеры применяют для планировки и профилирования дорог, сооружениявысоких насыпей и профильных выемок, отрывки дорожного корыта и распределения внём каменного материала, зачистки дна каналов, планировки территорий, засыпкитраншей, рвов, канав и ям, а также очистки дорог, строительных площадок,городских магистралей и площадей от снега в зимнее время. Автогрейдерыиспользуются на грунтах I …IIIкатегорий. При работе автогрейдер совершает ряд последовательных проходов:резание грунта, его перемещение, разравнивание и планировка поверхностисооружения. Современные автогрейдеры конструктивно подобны и выполнены в видесамоходных трёхосных машин с полноповоротным грейдерным отвалом, с механическойили гидромеханической трансмиссией и гидравлической системой управлениярабочими органами.
Автогрейдеры могут быть использованы для киркования грунта и изношенногополотна автомобильных дорог, а также для перемешивания грунтов с добавками ивяжущими материалами на полотне дороги. Все рабочие операции автогрейдерыосуществляют при продольных проходах машин с помощью основного рабочегооборудования – отвала с различными приспособлениями (уширителем, удлинителем,откосником, кюветоочистителем) и навесного оборудования (бульдозерного отвала,кирковщика, снегоочистителя, смесителя и пр.)
Автогрейдер состоит из следующих основных частей: длинной и выгнутой всредней части основной рамы, служащей для установки на ней всех механизмовавтогрейдера и опирающейся сзади на заднюю тележку, снабжённую балансирами сведущими колёсами, а спереди на переднюю ось с управляемыми колёсами; двигателя,закреплённого сверху рамы над задней тележкой; трансмиссии, передающей вращениеот двигателя к ведущим колёсам, гидронасосам и пр.; отвала, расположенного впространстве под выгнутой узкой в плане частью рамы, называемой хребтовойбалкой, на специальной тяговой раме, закреплённого с помощью сферическогошарнира на концевой части хребтовой балки над передней осью и двухгидроцилиндров подъёма отвала, установленных на кронштейнах с двух сторонхребтовой балки в её самой приподнятой части; кабины с органами и пультомуправления и сиденьем машиниста; дополнительного оборудования (отвалабульдозера, кирковщика и др.) с гидроцилиндра для их привода; капота соткидными стенками, закрывающего двигатель, и электоросистемы сигнализации иосвещения.
Над тележкой удачно скомпонованы двигатель с системами его запуска ирадиатором охлаждения, закрытыми капотом; элементы трансмиссии и кабина со всемоборудованием. При такой компоновке создаётся полезная нагрузка на ведущиеколёса и, кроме того, из кабины машиниста открывается достаточно хороший обзорпо ходу машины и на всё зону расположения отвала, что позволяет машинистуавтогрейдера непосредственно наблюдать за самим процессом обработки грунта надороге при любых положениях отвала в пространстве. Расположение ведущих колесзадней тележки непосредственно под двигателем и под кабиной машиниста срасположенными внутри органами управления, позволяет также удачно скомпоноватьтрансмиссию, сделать несложной систему управления ею.
С целью повышения поперечной устойчивости на наклонных поверхностях наавтогрейдерах предусмотрен наклон передних колёс, осуществляемый с помощьюспециально механизма. Благодаря наклону передние колёса всегда занимаютвертикальное положение на уклонах, и поэтому машина более устойчива противпоперечного опрокидывания.
На автогрейдере применена гидромеханическая трансмиссия, в которой вместомуфты сцепления установлен гидротрансформатор, позволяющий автоматически вшироких пределах менять крутящий момент на колёсах и их скорость в зависимостиот возникающего на колёсах сопротивления. Это упрощает механическую частьтрансмиссии, улучшает условия труда машиниста, тяговые свойства автогрейдера иего проходимость, снижает динамические нагрузки в трансмиссии. Применениегидротрансформатора повышает производительность автогрейдера, особенно притяжёлых режимах работы, хотя несколько удорожает конструкцию автогрейдера.
Патентный поиск
Анализируя изобретения, решаю остановиться на дополнительном отвале,установленном на раме автогрейдера ссади, в качестве навесного оборудования дляпрофилировки откосов. Благодаря дополнительному отвалу увеличиваетсяпроизводительность автогрейдера; можно уменьшить количество проходов припрофилировании за счёт выполнения сразу двух операций: профилировки поверхностидороги и откоса или сразу двух полос дороги. Увеличение сопротивления резанияпозволяет использовать мощность двигателя более полно.
Определение основных параметров автогрейдера
Техническая характеристика автогрейдера ДЗ-122:
Тип автогрейдера средний
Мощность двигателя, кВт 99
Размеры отвала, м
длина 3,72
высота 0,62
Угол наклона отвала, град 40…90
Угол резания, град 30…70
Угол поворота отвала, град 360
Вынос отвала в сторону, м 0,81
Высота подъёма отвала, м 0,4
Колёсная формула 1х2х3
Давление в гидроприводе, МПа 10
Колея колёс, м:
передних 2,0
задних 2,0
База, м 5,83
Радиус поворота, м 14
Тип трансмиссии гидромеханическая
Дорожный просвет, м 0,4
Скорости передвижения, км/ч:
вперёд 7,4…43
назад 7,7…25,2
Габаритные размеры, мм:
длина 9450
ширина 2500
высота 3500
Эксплуатационная масса, т 14,7
Определение основных параметров автогрейдера
К основным параметрам и размерам автогрейдера относятся: масса, длина ивысота отвала, боковой вынос отвала, дорожный просвет и заглубление отвала,угол резания ножа, углы захвата наклона отвала, калёсная база, колея передних изадних колёс, колёсная формула.
Определим оптимальную силу тяжести автогрейдера по заданным площадипоперечного сечения кювета автодороги и необходимому для создания земляногополотна числу проходов:
/>
где m – коэффициент, учитывающий неравномерностьсечений стружки при последовательных проходах, m = 1,35
S –площадь сечения треугольного кювета, S = 2,25hk2 =2.25. 0.62 = 0.81м2
k – удельное сопротивление грунта резанию, k = 130 кПа
ψ – коэффициент учитывающий колёсную формулу автогрейдера,
ψ = 0,75 при формуле 1х2х3
φсц – коэффициент сцепления при буксовании колёс, φсц= 0,75
n – число проходов при устройстве земляногополотна в нулевых
отметках, для грунтов II категории n = 4
Сила тяжести автогрейдера, приходящаяся на его задний мост:
/>
где G = 105,3кН – вес автогрейдера
Сила тяжести автогрейдера, приходящаяся на его передний мост:
/>
Сцепной вес автогрейдера (вес, приходящийся на ведущие колёса):
/>
где ψ1 – коэффициент, определяемый колёсной схемойавтогрейдера, дл схемы 1х2х3 ψ1 = 0,7…0,75
Необходимая при рабочем режиме мощность двигателя:
/>
где Nпол – полезная мощность, кВт:
/>
где Vф =4 км/ч – фактическая скоростьперемещения машины
Nдв – мощность затрачиваемая наперекатывание:
/>
Nбукс – мощность затрачиваемая напробуксовку:
/>
k1 = 1 — коэффициент учитывающийуменьшение мощности двигателя в
условиях неустановившейся нагрузки.
ή = 0,76 – КПД трансмиссии, для гидромеханической трансмиссии
Мощность двигателя, определяемая для транспортного режима:
/>
где f = 0,04 – коэффициент сопротивления качению
Vmax–максимальная скорость движения автогрейдера
Из найденных двух значений мощности выбираем максимальную и используем еёв расчётах. Найденная максимальная мощность совпадает с номинальнойрассчитываемого автогрейдера.
Длина отвала:
/>
где mа – масса автогрейдера, mа = G/g= 105,3/9,81 = 10,7 т
Высота отвала:
/>
Радиус кривой отвала:
/>
В поперечном сечении профиль отвала обычно очерчивается по дугеокружности (рис.1). При таком профиле стружка вырезаемого грунта, перемещаясьпо отвалу вверх, поворачивается на нём в направлении его движения и, дойдя доверхней кромки отвала, рассыпается или опрокидывается перед ним, образуя призмугрунта.
/>
Рис.1 Поперечный профиль отвала
Чтобы исключить пересыпание грунта за отвал, угол опрокидывания ψпринимают равным 65…70°. При установки углов должно быть обеспечено равенство
ά + ώ + ψ = π
т.е. ώ = π – ά – ψ = 180° — 50° — 65° = 65°
База автогрейдера выбирается из условия возможности разворота отвала(рис.2).
/>
рис.2 Ходовое устройство автогрейдера
/>
где L – база трёхосного автогрейдера
L1 – база двухосного автогрейдера:
/>
Lотв = 3,72м – длина отвала
b= 2,0м – колея автогрейдера
Δ = 0,055м – минимальный зазор между отвалом и колесом
D = 1,2м – внешний диаметр шины
Δ’ = 0,6м – минимальный зазор между задними колёсами
Размеры b и Lотви связанного с ними радиуса поворота R автогрейдера(рис.2) выбираю такими, чтобы машина имела наименьшие размеры. Однако наличиенаименьших величин обуславливается следующим. Устойчивость движенияавтогрейдера при вырезании стружки с наибольшей шириной захвата обеспечивается,если колёса автогрейдера идут по краям забоя.
Тяговый расчёт автогрейдера
В процессе работы автогрейдера возникают различного характера и разнойвеличины силы сопротивления его движению.
Для определения сопротивлений, возникающих в рабочем режиме при резании иперемещении грунта автогрейдером определённого типа, должны быть известны родгрунта и его характеристики, размеры отвала и углы его установки, весавтогрейдера.
Тяговый расчёт автогрейдера позволяет оценить возможности тягача притранспортировании грунта с подрезанием стружки. Для нормального протеканияпроцессов резания, перемещения грунта или планирования поверхностейнеобходимыми являются условия ∑W≤ Тн и ∑W ≤ Тφ, где Тн – номинальноезначение силы тяги автогрейдера на используемой передаче:
/>
где ήТ – КПД трансмиссииб V = 4 км/ч = 1,1м/с – скорость движения
Предельное значение тягового усилия по сцеплению с грунтом:
/>
где Gсц = Gψ1 = 105,3. 0,75 = 79 кН – сцепной вес
φсц = 0,6 – коэффициент сцепления колёс с грунтом
Суммарное сопротивление копанию автогрейдером:
/>
где W1 – сопротивление грунта резанию,
/>
где К = 15кПа – удельное сопротивление грунта резанию
Fст — площадь поперечного сечениявырезаемой стружки грунта при резании полной длиной отвала,
Fст = Lотвh = 3,72. 0,16 = 0,6м2
W2 – сопротивление перемещению призмыгрунта
/>
где μ2 = 0,5 – коэффициент внутреннего трения грунта
Gпр = γгрgVпр = 1800. 9,81. 0,62 =10948Н = 11кН
Vпр – объём призмы перед отвалом сучётом, что длины ножа погружены в грунт для резания
/>
где Кр = 1,2 – коэффициент разрыхления грунта
h = 0,16м – толщина стружки
δ = 40° — угол естественного откоса грунта
W3 — сопротивление перемещению стружкигрунта вверх по отвалу:
/>
где μ1 =0,9 – коэффициент трения грунта по отвалу
ά = 50° — угол резания ножа
W4 — сопротивление перемещению стружкигрунта вдоль по отвалу:
/>
W5 – сопротивление перекатываниюколёс:
/>
W6 – сопротивление от преодоленияподъёма
/>
Сопротивление от сил инерции W7считают равными нулю, так как принимают, что движение автогрейдера происходитбез ускорения и без переключения скоростей, т.е. при установленном движении.Тогда полное сопротивление:
/>
Проверим, соблюдается ли условия ∑W =42,6кН ≤ Тн =61,6кН и ∑W = 42,6 кН ≤Тφ = 47,4 кН
При установке дополнительного отвала тяговая характеристика изменится:
/>
где Gгр+отв – вес автогрейдера идополнительного отвала (3468Н)
/>
/>
где />
/>
где Gпр = γгрgVпр = 1800. 9,81. 0,54 =9535,3Н = 9,5кН
/>
/>
/>
Проверим, соблюдается ли условия
∑W =49 кН ≤ Тн =61,6кН и
∑W = 49 кН ≤ Тφ = 49кН
Условие соблюдается, значит, данный автогрейдер подходит для работ ввыбранных условиях.
Расчёт на прочность оборудования автогрейдера
Расчёт основной рамы
Первое расчётное положение. В первом расчётном положении, соответствующемнагрузкам, возникающим в процессе нормальной эксплуатации автогрейдера,наиболее неблагоприятные условия возникают в конце зарезания, когда отвал режетгрунт одним концом, опущннам настолько, что передний мост вывешен и упирается вкрай кювета, задние колёса буксуют на месте, работа производится на поперечномуклоне с углом λ = 16°.
В этих условиях основная рама оказывается максимально нагруженнойнормальными нагрузками (рис.3). В центре тяжести автогрейдера сосредотачиваетсясила его веса и равнодействующая сил инерции, которая раскладывается на состовляющие,так как автогрейдер работает на уклоне. Первая, равная G cosλ, действует перпендикулярноопорной поверхности, а вторая, G sinλ, — параллельно ей.
Координаты Н(м) и l(м) центра тяжести современныхавтогрейдеров приблизительно определяют из соотношений:
/>
/>
где rс – статический радиус колеса, rс = 0,93 rк =0,93. 0,6 = 0,56м
/>
Рис.3 Схема сил, действующих наавтогрейдер в первом расчётном положении
В центре тяжести автогрейдера помимо его веса сосредотачиваетсяравнодействующая инерционных сил
/>
где Кд = 1,5 – коэффициент динамичности
θmax = 0,85 – максимальныйкоэффициент использования сцепного веса машины
G2 = 73,7кН – сила тяжести автогрейдера,приходящейся на задний мост
В точке О, которой обозначен конец режущей кромки ножа отвала,сосредотачиваются усилия Рх, Рy иРz, возникающие в результате сопротивлениягрунта резанию.
В точках О’2 и О’’2,соответствующих проекциям середин балансиров на опорную поверхность, действуютвертикальные реакции задних правых и левых колёс Z2пи Z2л, свободные силы тяги X2пи X2л и боковые реакции Y2пи Y2л
Боковые реакции
Y2п = Y2л= 0,5G sinλ= 0.5. 105,3. sin 16° = 14.5кН
В точке О3, в которой передний мост касается кювета, возникаетбоковая реакция Y1
Составим систему уравнений равновесия:
∑X = 0: X2п+ X2л + Ри – Рx = 0;
∑Y = 0: Y2п + Y2л — G sinλ –Py + Y1 = 0;
∑Z = 0: Z2п + Z2л – Gcosλ +Pz = 0;
∑Мx = 0: Gcosλ b/2 — Z2п b — G sinλH = 0;
∑Мy = 0: Pz L1 – Gcosλl – PиН = 0;
∑Мz = 0: (Y2п + Y2л)L1 + X2л b+ Pи b/2 + G sinλ(L1-l) – Y1(L– L1) = 0;
Определим неизвестные силы и реакции Рx,Pz, Z2п иZ2л из уравнений равновесия, используясистему уравнений:
/>
/>
/>
/>
Силы тяги правого и левого задних колёс могут быть выражены черезвертикальные реакции
X2п = Z2пΘmax = 22,2. 0,85= 18,9 кН
X2л = Z2лΘmax = 35,2. 0,85 = 29,9 кН
Зная X2п и X2л:
/>
Рy = Y2п + Y2л — G sinλ +Y1 = 14,5 + 14,5 – 105,3sin16°+ 137.6 = 137,6кН
Далее необходимо найти усилия, действующие в т. О4 – шаровомшарнире тяговой рамы, служащем опорой для правой части основной рамы. Левойчастью основная рама двумя точками, соответствующими точкам О’2и О’’2, опирается на задний мост, а средней частью– на систему подвески тяговой рамы.
Считая детали подвески тяговой рамы расположенными в одной плоскости Q (рис.4), можно рассматривать пересечение этой плоскости сосновной рамой как место заделки последней, являющееся опасным расчётнымсечением. Для упрощения расчёта принимают, что тяги подвески находятся ввертикальной плоскости Q’, хотя в действительностиплоскость Q, в которой они расположены, наклонена квертикали под небольшим углом ά. Принятое допущение несколько увеличитполучаемые значения усилий Z4, Y4, X4действующих на шаровой шарнир и, следовательно, приведёт к увеличению запасанадёжности.
Из уравнений моментов, составленных относительно осей y’и z’, лежащих в плоскости Q’,проходящей через точку О4 и перпендикулярной к оси О’4 О4,находим усилия Z4 и Y4
/>
Рис.4 Схема сил, действующих на шаровойшарнир тяговой рамы в первом расчётном положении
/>
/>
Усилие Х4 находим из уравнения ∑X= 0, откуда Х4 = Р4 = 92,6 кН.
Определив все силовые факторы основной рамы в первом расчетном положении,можно посчитать возникающие в ней напряжения.
На рис.5 показана схема нагружения основной рамы в первом расчетномположении. Пользуясь этой схемой, определяем изгибающие моменты, действующие вопасном сечении I-I.
/>
Рис.5 Схема нагружения основной рамы впервом расчетном положении
Слева от сечения I-I (состороны моста):
/>
/>
/>
/>
Справа от сечения I-I (состороны переднего моста):
/>
/>
/>
/>
Необходимо выбрать поперечное сечение и определить его геометрическиехарактеристики – моменты сопротивления и площадь поперечного сечения (Рис.6).
Также следует выбрать материал и наити допускаемое напряжение.Допускаемое напряжение равно отношению предельного напряжения к коэффициентузапаса, равному 1,1…1,5
Выбираем нестандартный профиль бруса с размерами поперечного сечения b1=160мм, b2=180мм,h1=200мм, h2=240мм.
Площадь и моменты инерции прямоугольного поперечного сечения определяют:
/>
Рис.6 Поперечное сечение
/>
/>
/>
Полярный момент инерции прямоугольного сечения вычисляем:
/>
где ά1 и ά2 – коэффициенты, зависящие ототношения сторон прямоугольного сечения.
Выбираю материал – сталь 40Х с σ = 650МПа и рассчитываю допускаемоенапряжение:
[σ] = σпр/К3, [σ] = 650/1,2 = 541,7 МПа
Зная геометрические размеры сечения и его форму, можно посчитатьвозникающие в нём максимальные напряжения σ:
/>
где σсум – суммарное напряжение от изгиба ирастяжения-сжатия
τ – напряжение от кручения
/>
где Мив, Миг – суммарныеизгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскостях, Р – сжимающееусилие, кН
Мкр – суммарный крутящий момент, действующий на расчётное положение
Wy, Wz,Wp, F – моментысопротивления сечения изгибу и кручению и площадь этого сечения
Возникающие в опасном сечении I-Iосновной рамы напряжения от воздействия на него силовых факторов, действующихслева и справа от сечения, подсчитывают раздельно и принимают в расчётнаибольшее.
Для сечения I-I (состороны заднего моста):
/>
/>
Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны заднего моста:
/>
Для сечения I-I (состороны переднего моста):
/>
/>
Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны переднего моста:
/>
Максимальные напряжения со стороны переднего моста, и со стороны заднегомоста превышают допускаемое напряжение,
Для выполнения условий прочности увеличивают толщину стенки поперечногосечения или меняют материал на более прочный и в результате при b1=160мм, b2=210мм,h1=200мм, h2=250ммполучаем площадь и моменты инерции прямоугольного поперечного сечения:
/>
/>
/>
Полярный момент инерции прямоугольного сечения вычисляем:
/>
Для сечения I-I (состороны заднего моста):
/>
/>
Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны заднего моста:
/>
Для сечения I-I (состороны переднего моста):
/>
/>
Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны переднего моста:
/>
Условие выполняется, значит выбранное сечение удовлетворяет условиямпрочности и может быть использовано в рабочем оборудовании.
Второе расчётное положение. Во втором расчётном положении на автогрейдердействуют случайные нагрузки, возникающие при встрече его с непреодолимымпрепятствием. Наиболее неблагоприятные условия при этом складываются, когданаезд на препятствие происходит краем выдвинутого в сторону отвала при движенииавтогрейдера по горизонтальной поверхности на максимальной рабочей скорости смалым пробуксовыванием ведущих колёс, что имеет место при работах поразравниванию и перемещению грунта.
При внезапной встрече конца отвала с жёстким препятствием происходит ихсоударение, что приводит к возникновению дополнительной динамической нагрузкина основную раму.
При расчёте на прочность рабочего оборудования принимают, что масса ижесткость препятствия во много раз превышает массу и жёсткость автогрейдера.Тогда дополнительную динамическую нагрузку на автогрейдер определяют толькомассой и жёсткостью последнего, а также скоростью столкновения и подсчитывают:
/>
где v – скорость автогрейдера в момент встречи спрепятствием
Gсц – вес автогрейдера соборудованием, Gсц = 82468 Н
g – ускорение свободного падения
С – суммарная жёсткость автогрейдера
/>
здесь С1 = 120кНм – жесткость металлоконструкции автогрейдера,зависящая от величины сцепного веса
Нотв = 0,62м – высота отвала
Lотв = 3,72м – длина отвала
С2 = 2Сш = 2. 45 = 90кН/м – суммарнаяжёсткость передних колёс
На рис.7 показана схема сил, действующих на автогрейдер во второмрасчётном положении. В центре тяжести сосредотачиваются сила веса автогрейдераи дополнительная динамическая нагрузка. В точке О контакта отвала спрепятствием действуют усилия Рх и Ру, а Рz = 0, так как резание грунта не производится. Вусловных точках О2 и О3 действуют боковые усилия Y2 и Y1
/>
Рис.7 Схема сил, действующих наавтогрейдер во втором расчётном положении
Возникающие вертикальные реакции на задний и передний мосты обозначенысоответственно через Z2 и Z1.Эти реакции с учётом динамической нагрузки определяют из уравнений моментов,составляемых относительно точек О2 и О3:
/>
/>
где G1 и G2– соответственно силы тяжести, приходящиеся на передний и задний мосты (/>)
Размеры а1 = 0,5м; с’ = 0,87м; l1= 2,6м; l2 = 3,2м; n’= 0,9м снимаем с чертежа.
Остальные неизвестные силы определяем, составляя следующие уравненияравновесия:
/>
∑X = 0: X2п+ X2л + Ри – Рx = 0;
∑Y = 0: Y1– Py – Y2 = 0;
Принимая
X2п = X2л/>, Y1= Z1Θmax
получаем:
/>
Z2Θmax+ Ри – Рx = 0
Z1Θmax — Y2 — Py= 0
Решая эти уравнения относительно неизвестных членов, находим
/>
Py = Z1Θmax — Y2 = 41,1.0,85 – 7,7 = 27,2кН
Рx = Z2Θmax + Ри = 64,2. 0,85 + 34 =87,9кН
X2п = X2л/>
Y1 = Z1Θmax = 41,1. 0,85 = 34,9кН
В момент внезапной встречи с жёстким препятствием ведущие колёсаавтогрейдера, начинают полностью пробуксовывать, развивая суммарную силу тяги Х2
X2 = X2п+ X2л = 27,3 +27,3 = 54,6кН
/>
Рис.8 схема сил, действующих на шаровойшарнир тяговой рамыво втором расчётном положении
Пользуясь приведённой на рис.8 для второго расчётного положения схемойсил, действующих на шаровой шарнир тяговой рамы, определяем возникающие в этомшарнире усилия Х4, Y4, Z4:
∑X = 0: Х4 – Рx = 0, Х4 = Рx= 87,9кН
/>,
/>
/>, />
/>
Рис.9 Схема нагружения основной рамы вовтором расчётном положении
Схема нагружения основной рамы во втором расчётном положении на рис.9.Точка Е на схеме обозначена условная точка приложения динамической нагрузки отмасс, приходящихся на задние мосты. Координаты К для точки Е определяются изсоотношения:
/>
Точкой приложения суммарной силы тяги Х2 и реакции Z2 показана средняя точка О2 условнойоси задних мостов. В такой же средней точке О1 оси переднего мостаприложены реакция и динамическая нагрузка от масс, приходящихся на передниймост.
Слева от сечения I-I (состороны заднего моста):
/>
/>
/>
/>
Справа от сечения I-I (состороны переднего моста):
/>
/>
/>
/>
Площадь и моменты инерции прямоугольного поперечного сечения составляют:
/>; />
/>; />
Допускаемое напряжение [σ] = 541,7МПа
Профиль бруса выбираем с соответствующим первому расчётному положению. Знаягеометрические размеры сечения и его форму можно подсчитать возникающие в нёммаксимальные напряжения:
/>
где σсум – суммарное напряжение от изгиба ирастяжения-сжатия
τ – напряжение от кручения
/>
где Мив, Миг – суммарныеизгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскостях
Р – сжимающее усилие, кН
Мкр – суммарный крутящий момент, действующий на расчётное положение
Wy, Wz,Wp, F – моментысопротивления сечения изгибу и кручению и площадь этого сечения
Возникающие в опасном сечении I-Iосновной рамы напряжения от воздействия на него силовых факторов, действующихслева и справа от сечения, подсчитывают раздельно и принимают в расчётнаибольшее.
Для сечения I-I (состороны заднего моста):
/>
/>
Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны заднего моста:
/>
Для сечения I-I (состороны переднего моста):
/>
/>
Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны переднего моста:
/>
Условие выполняется с большим запасом.
Расчёт тяговой рамы
При расчёте тяговой рамы для расчётного положения принимаю, что на неёдействуют максимальные нагрузки, возникающие в условиях нормальнойэксплуатации. При этом сочетание возможных нагрузок выбирается таким, чтобытяговая рама находилась в наиболее благоприятных условиях. Такие условиявозникают, если нож отвала автогрейдера в процессе резания встречаетповерхностный слой более плотного грунта или под плотным слоем оказываетсяболее рыхлый.
/>
рис.10
При этом реакция грунта Z на площадку затупленияножа О оказывается меньше, чем составляющая Рв от силы Р,действующей по нормали к ножу (рис.10). В силу этого суммарная сила Р’z действует вниз, вызывая самозатягивание отвала вгрунт. Ведущие колёса автогрейдера находятся на пределе полного буксования.
Схема нагружения автогрейдера при расчёте тяговой рамы показана нарис.11. На конце режущей кромки О ножа отвала действуют усилия Рx, Рy, Рz. Экспериментально установлено, что наибольшее влияниена прочность тяговой рамы оказывают усилия Рxи Рz. Поэтому рассматриваем случай, когдаавтогрейдер находится на горизонтальной площадке, так как при этом указанныеусилия достигают максимальных величин. В условных точках О’2 и О’’2задних мостов действуют вертикальные реакции Z2пи Z2л и силы тяги X2пи X2л. Кроме того, на задних мостах за счётупора боковых поверхностей шин в грунт возникает боковая реакция Y2 (на создание её усилий сцепление нерасходуется). Передним мостом воспринимается боковая реакция Y1по пределу сцепления. В точках О’1 и О’’1 действуютреакции Z1п и Z1лв центре тяжести автогрейдера сосредотачивается сила его веса Gи равнодействующая инерционных сил Ри подсчитываемая по формуле:
/>
где КД = 1,5 – коэффициент динамичности, принимаемый дляпервого
расчётного положения
Θmax = 0,85 –максимальныйкоэффициент использования сцепного веса
G2 = 76,2кН – сила тяжестиавтогрейдера, приходящаяся на задний мост
/>
Рис.11 Схема сил для расчёта тяговой рамы
Составляя уравнения равновесия, получаем выражение для определениянеизвестных сил:
∑X = 0: />
после подстановки значения Рх получаем:
/>
/>/>
Реакцию Z2л находим из уравнения:
/>
/>
Реакцию Z2п находим из уравнения:
/>
/>
Значение Y1 подсчитываем по выражению:
/>
где /> - максимальный коэффициентбокового сдвига
/>
f = 0,05 – коэффициент сопротивленияперекатыванию
Значение Y2 подсчитываем по выражению:
/>
/>
Остальные реакции колёс находим из уравнений:
/>
/>
/>
/>
Боковую реакцию грунта находим из уравнения
∑Y = 0: Y2+ Py – Y1= 0
Py = Y1 — Y2 = 25 – 16 = 9кН
Усилия в шаровом шарнире О4 определяем с помощью схемы нарис.12
/>
Рис.12 Схема сил, действующих на шаровойшарнир при расчёте тяговой рамы
∑X = 0: Х4 = Рx = 94,5кН
/>, />
/>, />
Заменяя шарнир О4 равновеликой системой сил Х4, Y4, Z4, можнорассматривать тяговую раму как консольную балку с местом заделки в плоскости Q’. Максимальные нагрузки будут в месте заделки, т.е. всечении I-I с наибольшим плечомn. На это сечение будут воздействовать:
— изгибающий момент />
— изгибающий момент />
— растягивающее усилие />
Для расчёта профиля, составленного из двух стандартных, выбираю швеллер№24а с размерами Јх1 = Јх2 = 3180 см4, Јy1 = Јy2 = 254 см4,h = 24см, b=9,5 см, х0= 2,67 см, F = 32,9 см2
Задаваясь параметрами и типом сечения рис.13, определяем возникающие внём напряжения:
/>
/>
/>
При этом должно выполняться условие:
/>
При этом должно выполняться условие
/>
/>
/>
/>
Рис.13 Поперечное сечение тяговой рамы.
Расчёт отвала
Расчёт отвала следует проводить с учётом нагружения его максимальнойреакцией грунта Рх, приложенной к концу отвала, находящегося вположении наибольшего выноса в сторону относительно кронштейнов (рис.14). Приэтом считают, что сила Рх действует по оси симметрии отвала, изгибаяего в горизонтальной плоскости, и пренебрегают возникающими в нём напряжениямиот кручения. Таким образом, расчёт отвала сводится к расчёту его на изгиб какконсоли.
Изгибающий момент в опасном сечении I-I
/>
где l0– длина консольного концаотвала при его максимальном боковом смещении относительно кронштейнов
/>
здесь Lотв = 3,72м – длина отвала
l = 0,81м – максимальный вынос отвала в сторону
l1 -= 1,5м – расстояние между опорамиотвала
/>
Рис.14 Схема сил для расчёта отвала
Силу Рх принимают равной 92,6кН, так как она максимальна припервом расчётном положении.
Под действием силы Рх в волокнах части сечения, расположенной справаот нейтральной линии ОО, возникнут напряжения растяжения, а в части,расположенной слева от сечения, — напряжения сжатия.
Для расчётов моментов сопротивления зоны растяжения сечения Wр и зоны сжатия Wсжнеобходимо определить расположение нейтральной линии ОО сечения. Эторасположение определяется расстояниями а и b отнейтральной линии до крайних точек сечения:
/>
/>
где R0= 0,58мм – средний радиускривизны сечения отвала
ά1 = ω/2 = 65°/2 = 32,5° = 0,567 – центральный уголдуги отвала
Момент инерции в сечении I-I
Ј =/>
где δ = 10мм – толщина отвала
Тогда моменты сопротивления зон растяжения и сжатия сечения определяют повыражениям:
/>
/>
Нормальные напряжения:
в растянутых волокнах
/>
в сжатых
/>
Полученные напряжении необходимо сравнить с допускаемыми и убедиться, чтоони не превышают последних.
Допускаемое напряжение [σ] = 541,7МПа, тогда/>; />
Отвал из выбранного материала и выбранной толщины отвала удовлетворяетусловиям прочности расчёта.
Коэффициент запаса прочности
/>
где /> — наибольшее из напряженийрастяжения и сжатия
Коэффициент запаса прочности большой, значит, можно уменьшить толщинустенки или выбрать другой менее прочный материал, что приведёт к уменьшениюметаллоёмкости и капиталовложений в производимый отвал.
Так как характеристики дополнительного отвала такие же, как у основного,то дополнительный отвал принимаю такой же.
Расчёт механизмов управления рабочим оборудованием автогрейдера
Наиболее нагруженным механизмом управления автогрейдера является механизмподъёма и опускания отвала, поэтому передаваемая системой управления мощностьопределяется в основном параметрами операции отвала.
Механизм подъёма отвала
Механизм подъёма отвала рассчитывают, исходя из следующих предпосылок.
Рабочий ход механизма подъёма должен обеспечивать заданную глубинукопания, возможность полного выглубления отвала и удовлетворять условиямпроходимости автогрейдера в транспортном положении. Усилие подъёма определяетсяв соответствии с расчётной схемой (рис.15).
/>
Рис.15 Схема для определения усилияподъёма отвала
Для определения величины подъёмного усилия Sппринимаю следующее расчётное положение: отвал заглублён одним концом,производится подъём этого конца вала; на отвал действует максимальнаягоризонтальная составляющая реакции грунта Р1. При этом принимаюследующие допущения: вертикальная составляющая реакции грунта препятствуетподъёму отвала; вес отвала с ножом, вес поворотного круга и всей тяговой рамысосредоточены в центре тяжести системы; нагрузка воспринимается одниммеханизмом подъёма.
При расчёте подъёмного механизма не учитывают инерционные силы, так какскорость подъёма отвала принимают равной 15м/с, тогда подъёмное усилие безучёта инерционных сил можно рассчитывать по формуле:
/>
где Р2 = 0,5 Р1 = 0,5 * 35,5 = 17,8кН – сила,прижимающая отвал к грунту
Gр = 34 кН – сила тяжести поднимаемогооборудования
Р1 – сила сопротивления грунта
/>
здесь ψ = 0,75 – коэффициент, учитывающий колёсную формулу
φсц = 0,45 – коэффициент сцепления
G = 105,3кН – вес автогрейдера
Так как подъём опускание отвала производят два гидроцилиндра, топриходящееся на каждый гидроцилиндр максимальное усилие:
/>
Внутренний диаметр гидроцилиндра
/>
По ГОСТ 12477-80 выбираю стандартный внутренний диаметр гидроцилиндра, />
Диаметр штока
/>
Мощность механизма подъёма отвала
/>
Механизм поворота отвала
Мощность привода механизма поворота вследствие её небольшой величинытребуется определять только в случаях, когда поворот отвала производится отиндивидуальных гидромоторов (рис.16).
/>
Рис.16 Схема для определения усилия поворотаотвала
Механизм поворота отвала рассчитывают для положения, когда отвал вынесенв сторону и к его концу приложена максимально возможная сила:
Рк = КFст = 15. 0,6= 9кН
где К = 15кПа – удельное сопротивление грунта резанию
Fст = 0,6м2 – площадь поперечногосечения вырезаемой стружки
Тогда с учётом коэффициента динамичности kдмомент на поворотном круге находится по формуле:
M = kдРкl1 = 1,2. 9. 1,5 = 16,2кНм
По моменту сопротивления повороту рассчитывается мощнсть приводамеханизма поворота отвала:
/>
где /> — угловая скорость поворота
Механизм изменения угла резания отвала
Механизм изменения угла резания отвала рассчитывают по усилию, равномусиле тяжести отвала.
Внутренний диаметр гидроцилиндра
/>
где Gотв = 8кН – сила тяжести,создаваемая отвалом
По ГОСТ 12477-80 выбираю стандартный внутренний диаметр гидроцилиндра, />
Диаметр штока />, принимаю />
Мощность механизма изменения угла резания отвала:
/>
где Vи = 0,02м/с – скорость измененияугла резания отвала
Механизм выдвижения отвала
Механизм выдвижения отвала рассчитывают по усилию, равному силе тяжестиотвала. Скорость выдвижения отвала для гидравлического привода считаю равной0,1м/с. Мощность механизма выдвижения отвала
/>
Внутренний диаметр гидроцилиндра
/>
По ГОСТ 12477-80 выбираю стандартный внутренний диаметр гидроцилиндра, />
Диаметр штока />, принимаю />
Механизм выноса тяговой рамы в сторону
Механизм выноса тяговой рамы в сторону рассчитываю при выглубленномотвале:
Рвын = (Gотв + Gрамы)/2 = 34/2 = 17кН
Мощность механизма выноса тяговой рамы
/>
где Vв = 0,08м/с – скорость выносатяговой рамы
Внутренний диаметр гидроцилиндра
/>
По ГОСТ 12477-80 выбираю стандартный внутренний диаметр гидроцилиндра, />
Диаметр штока />, принимаю />
Основным этапом расчёта гидропривода является выбор насоса. Мощностьгидропривода определяется мощностью установленного насоса, а мощность насосаскладывается из мощностей, работающих от этого насоса гидроцилиндров:
Nн = КсКуNг = 1,1. 1,1. 4,91 = 5,94= 6 кВт
где Кс = 1,1 – коэффициент запаса по скорости
Ку = 1,1 – коэффициент запаса по усилию
Nг – наибольшая суммарная мощностьгидродвигателей, работающих в одном рабочем цикле
Nг = Nм.в.+Nв.о.+ Nп+Nг = 1,8 + 1,1 + 0,21 + 1,8 = 4,91 кВт
Зная необходимую полезную мощность насоса, можно найти подачу насоса:
QH = Nн/Рн= 6/10,5 = 0,57 дм3/с
где Рн = 1,05*10 = 10,5МПа – номинальное давление насоса
По давлению Рн и подаче QHвыбирают насос по справочнику. Выбираю насос 207.20 и распределитель Р20.
Объём бака
Vб = (1,2…1,5) Qб= 1,35. 0,57 = 0,77дм3 = 35л
Расчёт автогрейдера на устойчивость
Расчёт продольной устойчивости
В процессе работы потеря устойчивости и опрокидывание автогрейдера могутпроизойти при его движении по наклонной поверхности и при повороте. Автогрейдер– длиннобазовая машина, поэтому его продольная устойчивость (рис.17) противопрокидывания обеспечена на уклонах, являющихся предельными по условиюсцепления движителя с дорогой.
Предельный угол подъёма, преодолеваемый автогрейдером по условиюсцепления движителя с дорогой, рассчитывают:
tgάп = φ – f= 0,6 – 0,05 = 0,55
/>
Рис. 17 Схема для определения устойчивостиавтогрейдера
Тогда предельный угол подъёма άп= arctg0.55 = 28,8°
Наибольший угол подъёма, преодолеваемый по условию реализации 100%мощности двигателя, устанавливается по соотношению:
sinάп = Nή/GV(1+f2) = 99.0,76 / 108,8. 1,1 (1+0,052) = 0,63
Тогда наибольший угол подъёма άп= arcsin 0.63 = 39° предельный уклон по условиюсцепления тормозящих колёс с дорогой находят из равенства:
/>
Тогда предельный уклон άп = arctg0.33 = 18,3°
Расчёт поперечной устойчивости
По условию опрокидывания допускаемый угол поперечного уклона
tgάп = 0,5b/1,2hц = 0,5. 2,0/1,2. 1,06 =0,79
где b = 2,0м – ширина колеи автогрейдера
hц = 1,06м – расстояние от опорной поверхностидо центра тяжести автогрейдера
Тогда допускаемый угол поперечного уклонаάп= arctg0.79 = 38,3°
Максимальную скорость движения на поворотах по условию опрокидываниянаходят из формулы:
/>
где Куст = 1,2 – коэффициент устойчивости
р – радиус поворота
е =0 — эксцентриситет центра тяжести относительно продольной оси машины
/>
По условию сцепления движителя с дорогой допускаемый угол поперечногоуклона
tgά = 0,8φ /1,2 = 0,8. 0,6/1,2 = 0,4
Тогда допускаемый угол поперечного уклона άп= arctg0.4 = 21,8°
Максимальная скорость движения на поворотах по условию сцеплениядвижителя с дорогой
/>
/>
Расчёт производительности автогрейдера
Производительность автогрейдера при профилировании дороги определяют вкилометрах спрофилированной дороги в единицу времени. Она зависит от основныхпараметров автогрейдера и от условий работы.
Когда известна схема проходов автогрейдера по участку и определено числопроходов, необходимое для выполнения работ при постройке земляного полотна иликорыта, производительность автогрейдера определяют по формуле:
П = 60LпрКвtcм/Т = 60. 100. 0,85. 8,2/20 = 2091 м/смена
где Lпр = 100м – длина участкапрофилирования
Кв = 0,85 – коэффициент использования машины по времени
tcм = 8,2ч – число рабочихчасов в смене
Т – время профилирования
Т = 2Lпр(n1/v1 + n2/v2 + n3/v3 +…)+ 2 nt1 =2.100.4/66,7 + 2.4.1 = 20мин
здесь n1,n2,n3 – число проходов, выполняемыхсоответственно на первой, второй и третей передачах коробки скоростей
v1,v2,v3 – скорости, соответственно на первой, второй итретей передачах
n – общее число проходов
t1 – время на поворот автогрейдера
При выполнении автогрейдером земляных работ по возведению насыпи иустройству выемки путём перемещения грунта из выемки в насыпь отвалом,установленном под углом 90° к направлению поступательного движения,производительность подсчитывают по формуле:
/>
гдеV – объём грунта, Перемещаемый за один цикл
КВ = 0,85 – коэффициент использования машины по времени
t – время на рабочий цикл, с
Кр = 1,2 – коэффициент рыхления грунта
Объём грунта, перемещаемый за один цикл
/>
где К3 =1,9 — коэффициент заполнения отвала грунтом
φ – угол естественного откоса насыпного грунта
Время на рабочий цикл:
/>
где lр, lп,l0– длина пути резания, перемещения иобратного хода
vр, vп,v0– скорости при резании, перемещении иобратном ходе
tс = 5с – время на переключениепередач
t0= 2с – время на опускание и подъёмотвала
tп = 40с – время на поворотавтогрейдера в начале и в конце рабочего участка
Техника безопасности
К работе на автогрейдере допускается машинист, имеющий соответствующееудостоверение. Работать на неисправном автогрейдере запрещается. Перед выездомна работу машинист обязан осмотреть автогрейдер и устранить все обнаруженныенеисправности. При осмотре автогрейдера двигатель должен быть заглушён.
При движении автогрейдера машинист обязан соблюдать все правила дорожногодвижения, установленные для автотранспорта.
Снятие или установку сменного дополнительного оборудования, а такжедругие тяжёлые работы должны выполнять двое рабочих.
Электроосвещение, установленное на автогрейдере, должно обеспечиватьхорошую видимость движения и каждого рабочего органа во время работы.
Запрещается:
· оставлять без присмотра автогрейдер при работающем двигателе;
· регулировать, исправлять и смазывать автогрейдер на ходу или приработающем двигателе;
· останавливать автогрейдер на уклонах;
· находиться под рамой автогрейдера при поднятом отвале;
· во время работы автогрейдера удалять из-под ножа случайнопопавшие предметы.
Техническое обслуживание и ремонт автогрейдера следует проводить толькопосле полной остановки двигателя.
Техническое обслуживание проводится по истечении установленного срокаэксплуатации.
Список литературы
1. Бородочёв И.П. «Справочникконструктора дорожных машин»., М. Машиностроение 1973г.
2. Ветров Ю.А. и др. «Машины дляземляных работ», Киев 1981г.
3. Волков Д.П. «Машины дляземляных работ», М. Машиностроение 1992г.
4. Мамаков, Глазов и др.«Краткий справочник по СДМ и специальным машинам», 1986г.
5. Кузин Э.Н. «Строительныемашины», том 1, М. Машиностроение 1991г.
6. Белоногов Л.Б., Репецкий Д.С.«Устройство автогрейдера и расчёт рабочего оборудования»,методическое пособие, 2003г.