Проект модернизации одноковшового экскаватора с целью повышения производительности и экономической эффективности

Введение

Дальнейшее развитие железнодорожного транспорта нашей страны требует повышения эффективности производства и непрерывного его обновления на основе ускорения научно-технического прогресса.

На железных дорогах увеличивается мощность пути, совершенствуется технология и организация ремонтно-путевых работ. Современный и качественный ремонт пути, снижение затрат времени труда и эксплуатационных расходов, повышение производительности труда осуществляет на основе максимальной механизации всех путевых работ. Механизация в путевом хозяйстве развивается с учетом высокой грузонапряженности и интенсивности использования железных дорог создаются высокопроизводительные машины, способные выполнить работы с минимальными перерывами движения поездов в отличии от зарубежной практики, где создаются более легкие машины.

На магистралях нашей страны используется большой парк машин и механизмов.

При создании и модернизации машин особое внимание уделяется повышению скорости и усилий рабочих органов, повышение производительности, снижению массы и металлоемкости.

1. Назначение, устройство и техническая характеристика.

Модернизируемый экскаватор ЕК‑12 одноковшовый, универсальный гусеничный, гидравлический.

Основным рабочим оборудованием является обратная лопата, с помощью которой экскаватор может разрабатывать грунты I–IV категории ниже уровня стояния экскаватора, при производстве таких работ как рытье котлованов, траншей, канав, различных выемок и других работ.

Сменным рабочим оборудованием является грейфер, прямая лопата, при помощи которой можно разрабатывать грунты расположенного, как выше, так и ниже уровня стоянки экскаватора. Грейфер может применяться при рытье глубоких котлованов, нагрузки и разгрузки сыпучих материалов.

Привод рабочих органов, включая механизм передвижения, гидрофицирован.

Подъем и опускание стрелы осуществляется 4‑х звенным шарнирно-рычажным механизмом с приводом от 2‑х гидроцилиндров.

Подъем и опускание рукояти также осуществляется через 4‑х звенный механизм, только от одного гидроцилиндра.

Поворот ковша осуществляется при помощи одного гидроцилиндра.

Привод передвижения осуществляется от гидромотора через понижающий редуктор и цепную передачу.

Раскрытие и закрытие емкостей грейфера осуществляется при помощи одного гидроцилиндра через два симметрично-спаренных кривошипно-шатунных механизма.

Заполнение ковша обратной лопаты грунтом осуществляется при помощи гидроцилиндров рукояти и ковша. Затем поднимается стрела, поворачивается платформа, раскрывается рукоять и грунт высыпается из ковша в транспорт или отвал. После разгрузки все исполнительные механизмы возвращаются в исходное положение. При этом, в целях сокращения времени цикла возвращение порожнего ковша к забою осуществляется путем совмещения во времени движения других механизмов (опускание стрелы, раскрытие ковша, поворот платформы).

Механизм передвижения – гусеничный с приводом от гидромотора.

В таблице 1.1 приводится техническая характеристика модернизированного экскаватора.

Таблица 1.1 – Технические данные экскаватора

Наименование параметров	Величина
Мощность двигателя, кВт	59,5
Емкость ковша, м3	0,65
Давление в гидросистеме, МПа	32
Тип насоса	Аксиально-поршневой
Глубина копания обратной лопаты, м	4,8
Высота выгрузки наибольшая обратной лопаты, м	6,4
Радиус выгрузки наибольшей обратной лопаты, м	8,25
Продолжительность рабочего цикла при копании обратной лопаты, с	21
Габариты в транспортной положении обратная лопата, мм А) длина Б) ширина В) высота	8000 2500 3200
Масса экскаватора, т	12,9

   
2. Тяговый расчет

Исходные данные

G_э=12900 кг – масса экскаватора,

ν=2.42 км/ч – скорость передвижения,

α=20⁰ – угол наклона местности

cos α=cos 20⁰=0.939,

sin α=sin 20⁰=0.342

Суммарное сопротивление движению гусеницы на подъем:

W=W₁+W₂+W₃,

где W₁–сопротивление грунта передвижению гусениц с учетом преодоления уклона местности.

 даН,

где  – коэффициент сопротивления движению зависящий от характера грунта,

 – сопротивление движению ветра,

 даН,

где  – давление ветра,

 – подветренная площадь,

 – сопротивление от сил инерции при трогании с места в даН,

 даН,

где  – ускорение силы тяжести,

 – время разгона.

Суммарное сопротивление

 даН

Тяговое усилие

 даН,

где  – КПД механизма гусеничного хода равное 0,70,9

Тяговое усилие на каждую гусеницу

На приводе гусеничного хода установлен гидромотор с , , .

Максимальная мощность гидромотора будет

.

Максимальное тяговое усилие

.

Для предупреждения буксирования гусениц экскаватора при движении по уклону необходимо, чтобы ,

где  – коэффициент сцепления гусеницы с грунтом,

При переезде на ровной местности сопротивление грунта передвижению гусеницы будет:

.

Так как угол наклона местности , то .

Суммарное сопротивление движению по ровной поверхности

Тяговое усилие

Тяговое усилие на каждую гусеницу

Потребляемая мощность двигателя при этом

 
3. Расчет мощности силовой установки

Подача рабочей жидкости в цилиндры рабочего оборудования, в гидромотор поворота платформы и гидромотор левой и правой гусениц осуществляется двух секционным эксцентриковым насосом с приводом его от вала дизельного двигателя СМД‑15Н.

К гидроцилиндрам рабочего оборудования осуществляется подача рабочей жидкости из двух секций.

К гидромотору поворота и гидродвигателям хода правой и левой гусениц осуществляется подача жидкости от одной секции.

Исходные данные

Производительность насоса одной секции ;

Двух секций ;

Номинальная мощность двигателя ;

Давление в гидросистеме экскаватора при работе рабочим оборудованием .

При передвижении .

При повороте .

Мощность, затрачиваемая на работу рабочим оборудованием:

Мощность, затрачиваемая на передвижение:

.

Мощность, затрачиваемая на поворот платформы:

.

Как видно из расчета при данных параметрах машины мощности двигателя установленного на ней достаточно для реализации при работе рабочим оборудованием.

 
4. Определение времени исполнения полного хода для гидроцилиндров рабочего оборудования.

Расчет для гидроцилиндров стрелы.

Исходные данные.

- диаметр цилиндра,

 – диаметр штока,

 – полный ход поршня.

Рабочая площадь со стороны цилиндра

Рабочая площадь со стороны штока

Усилие со стороны цилиндра

Усилие со стороны штока

Производительность двух секций насоса равна

Скорость со стороны цилиндра

Скорость со стороны штока

Время исполнения полного хода со стороны цилиндра

Время исполнения полного хода со стороны штока

Расчет для гидроцилиндра рукояти.

Исходные данные

- диаметр цилиндра,

 – диаметр штока,

 – полный ход поршня.

Рабочая площадь со стороны цилиндра

Рабочая площадь со стороны штока

Усилие со стороны цилиндра

Усилие со стороны штока

Производительность двух секций насоса питающего гидроцилиндр рукояти составляет

Скорость со стороны цилиндра

Скорость со стороны штока

Время исполнения полного хода со стороны цилиндра

Время исполнения полного хода со стороны штока

Расчет для гидроцилиндра ковша.

Исходные данные.

- диаметр цилиндра,

 – диаметр штока,

 – полный ход поршня.

Так как гидроцилиндр отличается от гидроцилиндра рукояти лишь величиной хода, следовательно.

Рабочая площадь со стороны цилиндра

Рабочая площадь со стороны штока

Усилие со стороны цилиндра

Усилие со стороны штока

Общая производительность насоса, питающего гидроцилиндр ковша.

Скорость со стороны цилиндра

Скорость со стороны штока

Время исполнения полного хода со стороны цилиндра

Время исполнения полного хода со стороны штока

 
5. Расчет производительности

Рассмотрим работу обратной лопаты при копании на полную глубину с углом поворота .

Определим продолжительность рабочего цикла.

Время цикла без совмещения операций.

,

где - время исполнения прямого хода цилиндра стрелы (опускание стрелы);

- время исполнения прямого хода цилиндра рукояти;

-время исполнения обратного хода цилиндра стрелы (подъем стрелы);

-время исполнения обратного хода цилиндра рукояти;

- время исполнения прямого хода цилиндра ковша;

 – время исполнения обратного хода цилиндра ковша;

- время поворота с груженным ковшом;

 – время разгона, равное времени торможения.

 – момент инерции рабочего оборудования на среднем в положении выгрузки.

 – движущий момент механизма поворота,

 – угловая скорость при повороте.

Суммарный угол разгона и торможения обратной лопаты с груженым ковшом.

Обратный угол поворота в радианах

Время, затрачиваемое на поворот рабочего оборудования с груженым ковшом.

 – время поворота с пустым ковшом.

- время разгона, равное времени торможения,

 – момент инерции рабочего оборудования на среднем вылете при повороте с порожним ковшом,

 – движущий момент механизма поворота,

 – угловая скорость при повороте.

Суммарный угол разгона и торможения рабочего оборудования с порожним ковшом.

Время, затрачиваемое на поворот рабочего оборудования с пустым ковшом.

Общее время цикла обратной лопаты при копании на полную глубину с углом выгрузки  (без совмещения операций).

Определение производительности.

Число циклов в минуту.

Теоретическая производительность

Техническая производительность

,

где - коэффициент влияния грунта.

Для категории грунта (I–IV) соответственно:

Эксплуатационная производительность

где – коэффициент использования машины во времени.

   
6. Расчет усилий в элементах рабочего оборудования 6.1 Определение усилий на режущем контуре ковша обратной лопаты при копании цилиндром рукояти

Усилиями на режущем контуре ковша, как функция угла поворота системы «ковш-цилиндр» «ковша-рукоять» вокруг шарнира могут быть определены по следующей формуле:

где – усилие гидроцилиндра рукояти;

 – радиус кривошина;

– радиус копания;

– расстояние между центрами механизма;

– коэффициент, учитывающий влияние весовых нагрузок, соответствующий емкости ковша 0,55 м³.

Определение рабочего диапазона. Начальный угол положения исполнительного органа от линии центров

где – переменное расстояние между шарнирами цилиндра рукояти в м,

в начале копания,

в конце копания.

Максимальное значение усилия на режущем контуре ковша достигаются при положении кривошипа.

6.2 Определение усилий в шарнире ковша

Величина и непрерывных усилий в шарнире ковша может быть определены графическим путем построения силовых многоугольников.

Откладываем в масштабе (в 1 см 1000 даН) вектор усилий  по величине и направлению.

Из конца вектора усилий откладываем вектор весовых нагрузок, включая массу грунта в ковше.

где – масса рабочего оборудования подвижного относительно шарнира ковша в кг (масса ковша )

– масса грунта в ковше

– количество положений ковша

– номер положения.

Из конца вектора  откладываем по величине и направлению вектора . Величина его переменная, а направление постоянное.

Замыкающий вектор силового многоугольника по величине и направлению соответствует вектору усилия в шарнире ковша .

Величину усилий  получаем путем замера величины вектора усилия  и перемножая его величину на силовой масштаб .

Подсчет значения  и  приведен в таблице 6.2.

Таблица 6.2 – Расчет усилий в шарнире ковша.

Расчетное положение	, даН	k	n		, даН	даН	, даН	, см		, даН
1	3600	8–1=7	0	0	0	360	11900	12,2	В 1 см 1000 даН	12200
2	4560		1	1/7	143	503	15200	16,5		16500
3	5720		2	2/7	286	646	19500	22,7		22700
4	6220		3	3/7	428	788	21600	26,4		26400
5	6130		4	4/7	572	938	21700	27,5		27500
6	5680		5	5/7	715	1075	20700	26,6		26600
7	4870		6	6/7	857	1217	18800	24,9		24900
8	3190		7	1	1000	1360	13750	18,4		18400

6.3 Определение усилий в шарнире рукояти

Величина и направление усилий в шарнире рукояти может быть определена графическим путем построения силовых многоугольников.

Откладываем в масштабе (в 1 см 1000 даН) вектор усилий  по величине и направлению.

Из конца вектора усилия  откладываем вектор весовых нагрузок, включая массу грунта в ковше.

где – масса рабочего оборудования, подвижного относительно шарнира ковша в кг;

– масса ковша

– масса тяги

– масса коромысла

– масса цилиндра ковша

– масса рукояти

– половина массы цилиндра рукояти

– масса грунта в ковше

– количество положений ковша

– номер положения.

Из конца вектора  откладываем по величине и направлению вектор . Величина его постоянное, а направление переменное, соответствующее позиции копания.

Замыкающий вектор силового многоугольника по величине и направлению соответствует вектору усилия в шарнире ковша .

Величину усилия  получаем путем замера величины вектора усилия  и перемножением его величины на силовой масштаб .

Подсчет значения  и приведен в таблице 6.3.

Таблица 6.3 – Подсчет усилий в шарнире рукояти

Расчетное положение	, даН	k‑1	n‑1		даН	, даН	, даН	, см		, даН
1	3600	8–1=7	0	0	0	925	23200	23,1	В 1 см 1000 даН	23100
2	4560		1	1/7	143	1068		27,1		27100
3	5720		2	2/7	286	1211		28,9		28900
4	6220		3	3/7	428	1353		29,7		29700
5	6130		4	4/7	572	1498		29,8		29800
6	5680		5	5/7	715	1640		29,5		29500
7	4870		6	6/7	857	1782		29,4		29400
8	3190		7	1	1000	1925		29,4		29400

6.4 Определение усилий в шарнире стрелы

Величина и направление усилий в шарнире стрелы может быть определена графическим путем построения силовых многоугольников.

Откладываем вектор весовых нагрузок, включая массу грунта в ковше.

– масса узлов подвижных относительно шарнира стрелы включая массу грунта в ковше, в кг;

– половина массы цилиндра рукояти

– масса стрелы,

– масса двух цилиндров стрелы.

Из конца вектора  откладываем по величине и направлению вектор . Величина его переменная, а направление постоянные.

Замыкающий вектор силового многоугольника по величине и направлению соответствует вектору усилия в шарнире стрелы . Величину усилия  получаем путем замера величины вектора усилия  и перемножением его величины на силовой масштаб

Подсчет значения  и  приведен в таблице 6.4.

Таблица 6.4 – Подсчет усилий в шарнире стрелы.

Расчетное положение	, даН	, даН	даН	, даН	, даН	, см		, даН
1	3600	925	1068	1993	55200	29,6	В 1 см 2000 даН	59200
2	4560	1068		2136	68700	37		74000
3	5720	1211		2280	76000	41		82000
4	6220	1353		2422	56800	38		76000
5	6130	1498		2565	45400	25,5		51000
6	5680	1640		2708	21400	13		26000
7	4870	1782		2850	1735	10,6		21200
8	3190	1925		3000	17150	3,5		-7000

7. Расчет привода гусеничного хода

Согласно заданию необходимо спроектировать привод гусеничного хода, который обеспечил бы увеличение скорости передвижения экскаватора на 10%. Это достигается увеличением числа оборотов ведущего колеса гусеничного хода, соответственно, уменьшением передаточного числа привода.

Анализ кинематики гусеничного хода показал, что наиболее просто решать эту задачу можно, спроектировав ценную передачу с необходимыми параметрами. К тому же, как это дано в научно-исследовательской части вместо конструкции серийной звездочки разработана конструкция звездочки-демпфера.

Кинематический расчет.

– подача рабочей жидкости за один оборот,

– рабочее давление,

– производительность, идущая на ход при

– объемный КПД привода хода.

Передаточные отношения.

Таблица 7.1 – Данные передач

Наименование шестерн	Модуль, мм	Количество зубьев, z, б/р	Диам.нач. окр., d, мм	Шаг, t, мм
Шестерня, z1	3.25	17	55.25	-
Колесо, z2	3.25	72	234	-
Шестерня, z3	4.25	16	68	-
Колесо, z4	4.25	57	242.25	-
Ведущая звездочка, z5	-	10	164.39	50.8
Ведущая звездочка, z6	-	22	356.95	50.8
Ведущее колесо гусеничного хода	-	-	526	-
Диаметр качания гусеницы	-	-	660	-

Число оборотов в минуту:

Скорость передвижения гусениц.

Окружные скорости в передачах:

Окружная скорость в зацеплении

 

1 – ведущее колесо, 2 – гидромотор.

Рисунок 7.1 – Кинематическая схема привода гусеничного хода.

Окружная скорость в зацеплении

Окружная скорость в цепной передаче

Окружная скорость в зацеплении ведущего вала колеса трака гусеницы по диаметру начальной окружности.

Силовой расчет привода гусеничного хода по максимальным нагрузкам (по рабочему давлению в гидросистеме, на которое отрегулирован клапан гидромотора хода).

Исходные данные

Рабочее давление в гидросистеме хода по предохранительному клапану .

Расход рабочей жидкости

– КПД цилиндрической передачи

– КПД цепной передачи

– объемный КПД гидромотора

– механический КПД гидромотора.

Расчет производим по рабочему давлению.

Максимальные крутящие моменты на I валу

Усилие в передачах и зацеплениях.

Полное окружное усилие в зацеплении

Радиальное усилие в зацеплении

0 кружное усилие в зацеплении

Радиальное усилие в зацеплении

0 кружное усилие в цепной передаче

Окружное усилие на двух приводных звездочках гусениц.

Расчет вала ведущего колеса.

Определяем реакцию в опорах от окружного усилия (рисунок 7.2).

Максимальные изгибающие моменты от окружных усилий.

даНсм,

 даНсм.

Крутящий момент.

Суммарные моменты от изгиба и кручения.

Расчет ценной передачи.

Запас прочности по разрывному усилию проверяется по формуле:

uде – разрывное усилие втулочно-роликовой цепи, даН;

– усилие, действующее в цепной передаче, даН;

Случаи использования полной мощности двигателя:

Расчет валов

Вал I

сталь 40 ХНМА

Запас прочности по пределу текучести стали 40 ХНМА

Вал II

Сталь 40 ХНМА.

Запас прочности по пределу текучести стали 40 ХНМА.

Вал III

Сталь 40 ХНМА.

Запас прочности по пределу текучести стали 40 ХНМА

Вал IV

сталь 40 ХНМА

Запас по пределу текучести стали 40 ХНМА.

Рисунок 7.2 – Схема нагружения ведущего вала.

   
8. Расчет грейфера

Расчет усилия на режущем контуре грейфера ведется по формуле

где – момент на ковше грейфера, даНсм;

– радиус копания ковша грейфера.

Момент на ковше грейфера рассчитывается по формуле

где – усилие цилиндра грейфера, даН;

–диаметр цилиндра грейфера

– диаметр штока цилиндра грейфера;

– давление в системе;

– расстояние от шарнира крепления ковша грейфера к штоку цилиндра до шарнира крепления тяги к ковшу;

– переменный угол, образованный направлением усилия в цилиндре грейфера и линией, соединяющей шарниры на ковше грейфера,

где – плечо действия усилия цилиндра грейфера и усилий на режущем контуре ковша грейфера произведем в таблице 8.1

Грузоподъемность грейфера возможная по усилий двух гидроцилиндров стрелы на 370 даН меньше грузоподъемности ковша обратной лопаты, так как вес грейфера на 370 кгс больше ковша обратной лопаты. Грузоподъемность грейфера возможная по усилию двух гидроцилиндров стрелы в зависимости от положения стрелы определяем графически.

9. Расчет ковша

Ковш обратных лопат изготавливается с закругленными неоткрывающимися днищами двух типов: с зубьями – рекомендуется для рытья траншей и с полуоткрытой режущей кромкой без зубьев рекомендуются для всех остальных видов разработки грунтов.

В нашем случае принимаем ковш с зубьями.

В зависимости от емкости ковша можно определить его размеры по определенным формулам:

Рисунок 9.1 – Схема ковша

Определяем размеры ковша.

где

Ориентировочный вес ковша в зависимости от его емкости и для грунтов III категории.

Конструктивные размеры режущей части должны соответствовать сопротивлению грунта. Чтобы боковые стенки ковша не принимали участие в процессе резания, крайние зубья следует устанавливать заподлицо с боковыми стенками. Ширину зубьев ковша принимают по формуле:

Чтобы исключить влияние основной стенки на процесс резания принимают промежутки между зубьями:

Исходя из этих соображений можно принять число зубьев ковша z=4.

Определим толщину днища ковша.

Принимаем, что усилие резания  грунта действует на днище ковша по центру и ровно 6130 даН (см. раздел 6.).

Составим расчетную схему и определим необходимое сечение днища ковша.

Величина опорных реакций.

Рисунок 9.2 – Расчетная схема днища ковша.

Максимальный изгибающий момент.

Форма сечения днища ковша прямоугольная

Рисунок 9.3 – Схема сечения днища ковша.

 – допустимое напряжение для точки 3.

 
10. Расчет на прочность рукояти

Расчет ведем для случая копания грунта при помощи гидроцилиндра рукояти, т. к. нагрузки для этого случая возникают наибольшие.

Исходные данные.

В процессе копания в системе

ковш – гидроцилиндр ковша

рукоять – гидроцилиндр рукояти,

стрела – гидроцилиндр стрелы – шарниры поворотной платформы для закрепления стрелы и двух гидроцилиндров стрелы – имеют место следующие нагрузки:

 – усилие на режущем контуре ковша, даН;

 – усилие в гидроцилиндре ковша, даН;

 – усилие в шарнире сочленения ковша с рукояти, даН;

 – усилие в гидроцилиндре рукояти, даН;

 – усилие в шарнире сочленения стрелы с поворотной платформой, даН;

 – усилие в гидроцилиндрах стрелы, даН.

Для расчета прочности узлов рабочего оборудования давления в гидроцилиндре рукояти принимается постоянным. Значение усилий , , , , , , для девяти положений приведено в таблице раздела 6.

Для расчета рукояти принимается четвертое положение, а стрелы третье положение рабочего оборудования на траектории копания, где значение усилий минимальное (рисунок 10.1).

Рисунок 10.1 – Схема действующих усилий в элементах рабочего оборудования

Для удобства расчета рабочее оборудование разбиваем на узлы: ковш, рукоять, стрела.

Произведем проверку на прочность сечений металлоконструкций рукояти.

Металлоконструкция рукояти во время копания подвержено одновременному воздействию на нее изгиба от сил  и  и кручения от , а также на нее действуют усилий растяжения и сжатия от сил . Изгибающий момент в любом из принятых для расчета сечений находим по формуле:

На рисунке 10.2 обозначены места расположения принятых для расчета сечении и направлении усилий  и  указаны также плечи  и  равнодействующих этих усилий относительно центра тяжести сечений. Значений, ,  и а также подсчет  приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.1 – Расчетные данные

Сечение	Rτ, даН	LR τ, м		Pук, даН
I–I	6220	3,48	21600	21600	0,2	4340	17260
II–II		1,85	11500		0,5	10800	70

Крутящий момент для любого из выбранных для расчета сечения определяется по формуле:

где – плечо равнодействующей усилия , приложенного на крайнем режущем контуре ковша относительно центра тяжести сечения рукояти.

Изгибающее напряжение в любом из представленных для расчета сечений определяется по формуле:

где – момент сопротивления сечения изгибу относительно оси х-х;

Рисунок 10.2 – Расчетная схема системы ковш-рукоять

Момент сопротивления изгибу относительно оси х-х можно определить по формуле (рисунок 10.3 и 10.4).

где В - основные сечения с наружной стороны, см;

Н – высота сечения с наружной стороны, см;

b – основание сечения с внутренней стороны, см;

h – высота сечения с внутренней стороны, см;

Значения B, H, b, h и подсчет  для всех сечений приводим в таблице 10.2.

Подсчет значений  для всех сечений приводим в таблице 10.3.

Рисунок 10.3 – Схема сечения I–I

Таблица 10.2 – Геометрические параметры сечения

Сечение	B, см	Н, см	Н3, см3	ВН3, см4	b, см	h, см	h3, см3	bh3, см4	BH3-bh3, см4	6H, см	, см3
I–I	19	35	43000	815000	17	33	36000	612000	203000	210	968
II–II	19	24	14000	26600	17	22	11000	187000	79000	144	550

Таблица 10.3 – Действующие напряжения

Сечение		, см3	, МПа
I–I	1726000	968	178,5
II–II	70000	550	12,8

Рисунок 10.4 – Схема сечения II–II

Напряжение от кручения для всех сечений определяется по формуле:

где W_k – момент сопротивления кручению, см³.

Момент сопротивления кручению можно определить по формуле:

где d – основание сечения, см;

b – высота сечения, см;

 – толщина основания, см;

 – толщина высоты. см.

На рисунке 10.3 и 10.4 основание обозначено буквой В, а высота буквой Н, то формула приобретает вид:

Таблица 10.5 – Напряжение кручения в сечениях

Сечение		Wk, см3.		Примечание
I–I	180000	1455	12,4	-
II–II	180000	1060	17,0	-

Приведенное напряжение в сечениях по III теории прочности определяем по формуле:

Подсчет значений  для всех сечений производим в таблице 10.6.

Таблица 10.6 – Определение приведенного напряжения

Сечение	, МПа	, МПа2	, МПа	, МПа2	, МПа2	, МПа2	, МПа
I–I	178,6	3200	12,4	154	616	32616	181
II–II	12,8	164	17,0	289	115	1320	36

Напряжение в сечениях с учетом регулирующих (или сжимающих усилий). Напряжение растяжения или сжатия можно определить по формуле:

где F – площадь сечений, см³.

Площадь сечений может быть определено формуле

Значения В, Н, b, h, а также подсчет значений F для всех сечений приведены в таблице 10.7.

Подсчет значений  приведен в таблице 10.8.

Таблица 10.7 – Геометрические характеристики сечений

Сечение	B, см	Н, см	ВН, см2	b, см	h, см	bh, см2	, см2
I–I	19	35	665	17	33	560	95
II–II	19	24	455	17	22	374	81

Таблица 10.8 – Напряжение расстояний (сжатия)

Сечение	, даН	F, см2	, МПа
I–I	21600	95	221
II–II	21600	81	248

Приведенное напряжение в сечении с учетом растяжения (сжатия) можно определить по формуле:

Подсчет значений  приводим в таблице 10.9.

Таблица 10.9 – Приведенные напряжения

	Сечение		, МПа			МПа		МПа		МПа2
	I–I		178,5			22,1		200,6		40500
	II–II		12,8			24,8		37,6		1420
Сечение		МПа		МПа	МПа2		МПа2		МПа2
I–I		12,4		154	616		41116		202
II–II		17,0		289	1156		2576		50,5

Запас прочности по пределу текучести стали 1ОГ2С1 определяется по формуле:

Подсчет значений  для всех сечений приведен в таблице 10.10

Таблица 10.10 – Коэффициент запаса прочности

Сечение		, МПа		, МПа	б\р
I–I	380	181	2,1	0	1,87
II–II		21	18	50,5	7,4

Приведенный расчет показывает. Что запас прочности достаточен.

 
11. Расчет на прочность стрелы

Проведем проверку на прочность сечений металлоконструкций стрелы.

Металлоконструкция стрелы во время копания подвержена одновременному воздействию на нее изгиба от сил ,  и реакции в шарнирах , , а также растяжения (сжатия) от составляющих сил.

 и  – в и ,

 и  –  и

Изгибающий момент в любом из принятых для расчета находим по формуле:

На рисунке 11.1 обозначены места расположения принятых для расчета сечений и направления усилий , , , , , ,  и , а также плечи равнодействующих этих усилий относительно центров тяжести сечений: . Значение величин , ,  и  находим по следующей формуле:

где – углы между направлениями усилий , , , , , ,  и .

Рисунок 11.1 – Расчетная схема стрелы.

Подсчет значений , ,  и  приведен в таблице 11.1

Таблица 11.1 – Усилия, действующие на стрелу

Сечение		, даН		, град	б\р		, даН		даН		, град	б\р		даН			даН
I–I		23200		13	0.965		22400		28900		20	0.935		27000			82000
II–II
	Сечение		даН			, град				даН			даН		, град	б\р
	I–I		76000			4		0,986		80500			76000		0	1
	II–II

Значение величин , , , , , а также подсчет значений величин изгибающих моментов относительно центров тяжести сечений приведены таблице 11.2.

Таблица 11.2 – Усилие в стреле

Сечение		, даН				даНм	, даН		, м		, даНм
I–I		23200		0,76		17700	28900		0,3		9000
II–II				0,4		9280			0,6		17300
I–I	82000		0,2		16400		76000	0,08		6080
II–II			0,68		56700			0,82		62400

Сечение	даНсм
I–I	1902000
II–II	1372000

Изгибающее напряжение в сечении стрелы.

Изгибающее напряжение в сечении стрелы может быть определено по формуле:

где М_и – изгибающий момент ;

W_{и х-х} – момент сопротивления сечения изгибу относительно оси х-х, см³;

Момент сопротивления изгибу относительно оси х-х можно определить по формуле (рисунок 11.2 и 11.3).

где – момент относительно оси х-х, см⁴;

 – максимальное расстояние от центра тяжести сечения относительно оси х-х, см;

где F₁ и F₂ – площадь элементов сечения 1 и 2, см²;

Y₁ и Y₂ – координаты их центров тяжести относительно оси х-х, см.

Площадь элемента 1 сечения можно определить по формуле

Площадь элемента 2.

где B, b – наружная и внутренняя часть основания сечения элемента 1, см;

H, h – наружная и внутренняя часть высота элемента 1, см.

 – высота элемента 2, см.

Значения величин B, b, H, h, , а также подсчет значений F₁ и F₂ приведен в таблице 11.3

Таблица 11.3 – Геометрические параметры сечений

Сечение		B, см		Н, см		ВН, см2		b, см			h, см
I–I		33		32		1060		31			30
II–II		30		38		1140		28			36
I–I	930		130		33		1		33	163
II–II	1020		120		30		1		30	150

Значение величин F₁, F₂, Y₁, Y₂ и подсчет значения  приведен в таблице 11.4.

Таблица 11.4 – Определение координат центра тяжести сечения

Сечение	F1, см2		y1, см		, см3		F2, см2		Y2, см
I–I	130		16.5		2140		33		0,5
II–II	120		19		2280		30		38,5
I–I		16,5		2140		163		13,2
II–II		1160		3440		150		23

Момент инерции сечения может быть определен по формуле:

где  – момент инерции элемента сечения, см⁴;

Момент инерции элемента 1 сечения можно определить по формуле:

где  – момент инерции элемента 1 сечения относительно его собственного центра тяжести, см⁴;

Рисунок 11.2 – Схема сечения I–I

Рисунок 11.3 – Схема сечения II–II

Значение величин B, H, b, h, F, , Y₁, а также подсчет  приведен в таблице 11.5

Таблица 11.5 – Определение момента инерции сечений

Сечения		B, см	Н, см			Н3, см3		ВН3, см4		l, см		h, см		h3, см	bh3, см4		, см4
I–I		33	32			33000		1120000		31		30		27000	840000		280000
II–II		30	38			55000		1650000		28		36		47000	1320000		330000
Сечения	, см4			, см2	, см		, см		, см		, см		, см4			, см4
I–I	23400			163	13,2		16,5		3,3		11		1800			25200
II–II	27500			150	23		19		4		16		2400			29900

 – момент инерции элемента 2 сечения, см⁴;

Момент инерции элемента 2 сечения можно определить по формуле:

где  – момент инерции элемента 2 сечения относительно его собственного центра тяжести, см⁴.

Значение величин B, , F_e, , Y₂, а также подсчет значений  приведен в таблице 11.6

Таблица 11.6 – Расчет момента инерции сечений

Сечение	B, см		, см		, см3		, см4		F2, см2		, см
I–I	33		1		1		33		33		13,2
II–II	30		1		1		30		30		23
Сечение		Y2, см		, см		, см2		, см4		, см4
I–I		38,5		25,3		640		21120		21153
II–II		16,5		6,5		42		1360		1390

Подсчет значений величины момента инерции  сечения относительно оси х-х приведены в таблице 11.7

Таблица 11.7 – Моменты инерции сечений

Сечение	, см4	, см4	, см4
I–I	25200	21153	46353
II–II	29900	1390	31290

Подсчет значений величины момента сопротивления относительно оси х-х приведен в таблице 11.8

Таблица 11.8 – Моменты сопротивления сечений

Сечение	, см4	Н, см	, см	, см	, см	, см3
I–I	46353	32	1	13,2	19,8	2320
II–II	31290	38	1	23,2	23,2	1350

Подсчет значений величин изгибающего напряжения G_k для сечений стрелы приведен в таблице 11.9

Таблица 11.9 – Напряжение изгиба в сечениях

Сечения	даНсм	, см3
I–I	1902000	2320	82.4
II–II	1372000	1350	102

Напряжение растяжения в сечении I–I от сил , , и сжатия в сечении II–II от сил ,  определим по формуле:

Значение величин , ,  и , F₁ и F₂ и подсчет значений  и  приведен в таблице 11.10.

Таблица 11.10 – Определение напряжения растяжения и сжатия

Сечение	, даН	F1, см2	, МПа	, даН	F1, см	, МПа
I–I	80500	163	49,4	76000	163	46,6
II–II	-	-	-	-	-	-
Сечение	, даН	F2, см2	, МПа	, даН	F2, см2
I–I	-	-	-	-	-	-
II–II	27000	150	180	22400	150	15.0

Сечение
I–I	2,8
II–II	33,0

Суммарное напряжение в сечениях можно определить по формуле:

Значение величин , а также подсчет значений  для сечений приведен в таблице 11.11.

Таблица 11.11 – Определение суммарных напряжений

Сечение	, МПа	, МПа	, МПа
I–I	82,4	2,8	85,2
II–II	102,0	33,0	135,0

Запас прочности по пределу текучести стали 10Г2С1 определяется по формуле

Значение величин  и , а также подсчет значения n приведен в таблице 11.12

Таблица 11.12 – Коэффициент запаса прочности

Сечение	, МПа	, МПа
I–I	380	85,2	4,45
II–II		135,0	2,8

12. Расчет гидроцилиндра рукояти

Напряжение в стенках цилиндра.

где P_м – максимальное давление в гидроцилиндре рукояти;

 – внутренний диаметр гидроцилиндра;

– наружный диаметр гидроцилиндра,

Запас прочности по пределу текучести стали 30ХГСА

где – предел текучести стали 30ХГСА

Напряжение изгиба штока гидроцилиндра

где P_max=23200 даН – максимальное усилие в гидроцилиндре рукояти;

f – площадь сечения штока, см²;

 – коэффициент уменьшения допускаемого напряжения, который определили следующим образом.

Площадь сечения штока гидроцилиндров

где – наружный диаметр штока,

Радиус инерции сечения штока цилиндров.

В зависимости от отношения длины штока L и радиусу инерции i подбираем значение коэффициента уменьшения допускаемого напряжения при работе штока на изгиб:

где L=184 см – длина штока от центра продшины наружной кромки,

при коэффициент прогиба

Запас прочности по пределу текучести стали 30ХГСА

Удельное давление на втулку продшины

Напряжение в основном сечении штока

Напряжение сечения сварного шва

 
13. Расчет устойчивости

Для того, чтобы работа экскаватора была безопасной, при его проектировании необходимо учесть, чтобы коэффициент устойчивости экскаватора был больше или равен допустимому [К_уст]=1,15.

Определим коэффициент устойчивости для двух наиболее неблагоприятных рабочих положений экскаватора.

Определим устойчивость экскаватора во время копания вдоль гусениц, так как это положение неустойчивое (рисунок 13.1).

Запас устойчивости экскаватора при копании на полную глубину можно определить по формуле:

где – суммарный продольный восстанавливающий момент от массы узлов ходовой тележки, поворотной платформы с установками смонтированными на ней,

где  – масса тележки ходовой;

 – масса поворотной платформы с установками смонтированными на ней;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

Рисунок 13.1 – Схема к определению продольной устойчивости.

 – момент от горизонтальной составляющей усилий, даН

где  – усилие на зубьях ковша;

 – плечо равнодействующей усилия  относительно уровня стояния экскаватора.

 – суммарный опрокидывающий момент от массы узлов рабочего оборудования.

 – опрокидывающий момент от массы ковша с грунтом.

где – масса ковша;

 – масса грунта в ковше;

 – плечо равнодействующей массы ковша с грунтом относительно «ребра» опрокидывания.

где  – опрокидывающий момент от массы рукояти.

где – масса рукояти;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

 – опрокидывающий момент от массы гидроцилиндра ковша в .

где – масса гидроцилиндра ковша с учетом массы рабочей жидкости;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

где  – опрокидывающий момент от массы цилиндра рукояти.

где  – масса гидроцилиндра рукояти, включая массу рабочей жидкости,

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

 – опрокидывающий момент массы стрелы.

где – масса стрелы;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

 – опрокидывающий момент массы двух гидроцилиндров стрелы с учетом рабочей жидкости.

где – масса двух гидроцилиндров стрелы с учетом массы рабочей жидкости;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

Суммарный опрокидывающий момент массы рабочего оборудования.

 – момент вертикальной составляющей усилия , ;

где – усилие на режущем контуре ковша;

 – плечо равнодействующей усилия  относительно «ребра» опрокидывания.

Запас устойчивости экскаватора при копании на максимальную глубину.

Определение поперечной устойчивости.

Расчетная схема представлена на 13.2

где  – суммарный поперечный восстанавливающий момент от массы узлов ходовой тележки поворотной платформы с установками, смонтированными на ней, в .

где G_ТХ=5057 кг – масса тележки ходовой;

 – масса поворотной платформы с установками, смонтированными на ней;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания;

 – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

– момент от горизонтальной составляющей усилия .

 – суммарный поперечный опрокидывающий момент массы узлов рабочего оборудования.

где – опрокидывающий момент от массы ковша с грунтом,

Рисунок 13.2 – Определение поперечной устойчивости

где – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

 – опрокидывающий поперечный момент от массы рукояти.

где – плечо равнодействующей  относительно «ребра» опрокидывания.

 – опрокидывающий поперечный момент от массы гидроцилиндра ковша.

где – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

 – опрокидывающий поперечный момент от массы гидроцилиндра рукояти,

 – опрокидывающий поперечный момент от массы стрелы.

где  – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

 – опрокидывающий поперечный момент от массы двух гидроцилиндров стрелы.

где – плечо равнодействующей массы  относительно «ребра» опрокидывания.

Суммарный опрокидывающий момент от рабочего оборудования.

– момент от вертикальной составляющей усилия .

где – плечо равнодействующей усилия , относительно «ребра» опрокидывания.

Запас устойчивости экскаватора при копании на полную глубину.

Таким образом, устойчивость при копании экскаватором на полную глубину, как в продольном, так и в поперечном направлениях копания вполне обеспечена.

 
14. Организация работ

Строительство новой железной дороги из двух основных частей:

-           возведение земляного полотна,

-           устройство верхнего строения пути.

Модернизируемый экскаватор может работать, как прямой, так и обратной лопатой.

Спроектируем организацию механизированных работ при возведении земляного полотна с применением модернизируемого экскаватора, согласно ниже приведенным исходным данным.

Исходные данные.

Ширина земляного полотна – 7 м.

Группа грунта – I,

Номер профиля – 2,

Срок производства работ – 35 суток.

Анализ и подготовка продольного профиля участка железной дороги. Расстояние х от плюсового пикета с рабочей отметкой Н₁, до нулевой точки определяется по формуле

где  – расстояние между профильными точками с рабочими отметками H₁, H_2, м;

Н₁ и Н₂ – величина рабочих отметок, м.

Первый километр

Второй километр

Третий километр

Определение объема выемок и насыпей на участке. Объемы земляных работ определяются таблицами в зависимости от типа поперечного профиля и величины рабочих отметок на прямых и кривых участках пути, а также по средним рабочим отметкам и длиной участков с помощью формулы:

где L‑длина участка, км;

q – на километровый объем земляных работ.

Первый километр →выемки

Второй километр

Насыпь

Третий километр

Выемка

Насыпь

Разработка вариантов механизации, определение количества машин.

Землеройный комплект состоит из ведущей машины, которой может быть экскаватор, скрепер, бульдозер и другие машины. Также из машин и механизмов, обслуживающих ведущую машину и выполняющих транспортные и вспомогательные работы. Выбор рационального комплекта землеройных машин производится по характеристикам ведущих машин. Максимальные рабочие отметки насыпей и выемкой при поперечной возке грунта бульдозерным комплектом составляет 2 метра, а скреперным комплектом с экскаватором-дроглайным, работающих в отвал:

Предельные значения дальности возки грунта составляют для бульдозеров 100150 м, для скреперов прицепных с емкостью ковша до 8м³-500 м.

Предельные значения возки грунта составляют: для скрепера прицепного с емкостью ковша до 9м³-1500 м; с емкостью ковша 15м³-2000 м; для экскаватора с самосвалом с емкостью ковша 0,65–1,5м³-30005000 м.

Таблица 14.1 – Пикетный и помассовый объем работ

№ участка	Километр ПК	Средняя рабочая отметка, м	Длина участка, м	Поникетные объемы работ, м3		Помассовые объемы работ, м3
				Выемка	Насыпь	Насыпь	Выемка
1 км	0+1 1+2 2+3 3+4 4+5 5+6 6+7 7+8 8+9 9+0,2 9,2+0,8	1,99 2,62 2,895 2,245 1,435 1,88 3,97 5,08 3,395 2,09 81,15	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,02 0,08	2810,58 3930,6 4465,0 3246,93 2017,922 2629,96 6731,75 9437,048 5444,13 596,522 1168,056			42510,2
2 км	0+0,33 0,33+0,67 1+2 2+0,7 2,7+0,3 3+4 4+5 5+6 6+7 7+0,3 7,3+0,7 8+9 9+0,3 9,3+0,2 9,5+0,1	0,7 0,145 0,19 1,98 2,43 2,77 3,24 3,28 3,445 4,385 6,71 6,955 6,955 9,47 11,97	0,033 0,067 0,1 0,07 0,03 0,1 0,1 0,1 0,1 0,03 0,07 0,1 0,03 0,02 0,01		99,6759 194,94 298,06 823,746 3161,82 3915,2 3991,35 4249,35 2085,05 8082,214 12222,71 3666,813 3666,813 4099,644 3083,604	4973,61
3 км	0,3+0,4 0,7+0,3 1+0,2 1,2+0,8 2+0,4 2,4+0,6 3+0,3 3,3+0,7 4+0,4 4,4+0,6 5+6 6+7 7+8 8+0,9 8,9+0,1 9+10	4,78 1,525 0,265 0,975 3,81 5,245 5,22 5,41 5,125 4,835 3,775 2,435 1,585 0,065 0,08 0,405	0,04 0,03 0,02 0,08 0,03 0,06 0,03 0,07 0,04 0,06 0,1 0,1 0,1 0,09 0,01 0,1	1010,68 2634,2 5910,75 2933,22 7210,39 3816,24 5278,53 6287,75 3588,13 2158,11 81,081	2038 440,595 54,378	2538	40908,8

Скрепера применяются для разработки грунтов I и II категории, без рыхления грунта. Группы III и IV категории должны быть предварительно разрыхлены.

Количество ведущих машин в i‑том комплекте на j‑том участке определяется по формуле:

где  – объем земляных работ на j‑том участке, м³.

b – число рабочих смен в сутки, b=2;

T – срок выполнения работ, рабочие сутки;

 – эксплуатационная, сменная производительность i‑той ведущей машины на j‑том участке, .

I участок

Выбираем скрепер самоходный – комплект Д‑392, трактор толкач Т‑100 м, каток прицепной Д‑263, электростанция передвижная ЖЭС‑45