Расчет автогрейдеров

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: "Автомобиле - и тракторостроение"

Расчет автогрейдеров

Выполнил:

студент группы АТФ-3С

Бондарев И.Ю.

Проверил:

Шевчук В.П.

Волгоград 2010 г.

 

Теоретическая часть

 

К главным и основным параметрам автогрейдеров относятся: масса автогрейдера т_а, удельная мощность, высота отвала с ножом (Н_о), длина отвала без удлинителя L_o, скорости движения, высота подъема отвала в транспортное положение h, угол резания , боковой вынос отвала l, заглубление (опускание) отвала ниже опорной поверхности h_Г; колесная формула; угол для срезания откосов  между опорной поверхностью и режущей кромкой отвала, вынесенного за пределы основной рамы и наклоненного так, что один край режущей кромки находится на опорной поверхности, а другой максимально поднят ( = 0... 80°); угол наклона отвала  или угол зарезания, аналогичен , но определяется при положении отвала, симметричного оси автогрейдера ( = 0.. .30°); угол захвата  (рис. 2.4.3.1)—угол в плане между режущей кромкой отвала и осью автогрейдера ( = 0±90°); при вырезании грунта  = 30...40°; при перемещении  = 60...75°, при планировке  = 90°.

Радиус кривизны отвала (рис. 1,б)

,

где  — угол опрокидывания отвала, во избежание пересыпания грунта за отвал =65... 75°; при установке отвала

,

где — центральный угол, град.

Производительность. При постройке насыпи из боковых резервов производительность (м³/ч)

(1)

где V — объем грунта, перемещаемого за один проход, м³

(2)

=1,8...2,0 — коэффициент наполнения; =30...40° — угол естественного откоса; —продолжительность цикла, с;

, , и , , — длина пути (м) и скорость (м/с) соответственно резания, перемещения и обратного (холостого) хода; — время на переключение передач, с; =5 с; t₀— время на опускание и подъем отвала, с; to=1,5... 2,5 с; — время поворота в конце участка, с; — коэффициент разрыхления грунта. Тяговые сопротивления и тяговый расчет. Различают два режима работы автогрейдера: рабочий и транспортный. Для первого характерны большие тяговые сопротивления и малые скорости движения, а для второго при движении с поднятым отвалом—большие скорости движения и сравнительно малые тяговые усилия.

При рабочем режиме общее тяговое сопротивление (кН)

 

,(3)

где — сопротивления соответственно резанию грунта, трению ножа о грунт, перемещению призмы волочения по грунту, перемещению грунта вдоль отвала, перемещению грунта вверх по отвалу, перемещению автогрейдера на колесах, преодолению уклона пути и разгона автогрейдера до установившейся рабочей скорости, кН; ;— соответственно суммарные сопротивления копанию и перемещению, кН. Сопротивление (кН) резанию грунта

 

,(4)

где  — удельное сопротивление грунта резанию ножом, кН/м²: S_C проекция площади поперечного сечения стружки грунта на плоскость, перпендикулярную к направлению движения автогрейдера, м²; при угле захвата =90° и <90° и угле зарезания = 0 (отвал горизонтален) соответственно (м²)

 

S_c = L_oh_pи ;(5)

 

Lo — в м; h₀ глубина резания, м.

При резании половиной длины отвала

где все линейные размеры — в м.

Сопротивление (кН) трению ножа о грунт.

 

,(6)

где — вертикальная составляющая суммарного усилия, действующего на нож, зависящая от типа автогрейдера, положения ножа внутри базы, угла захвата и определяемая из общей схемы сил, действующих на автогрейдер, кН. Для ориентировочных предварительных расчетов при колесных схемах 123, 112, 133 для легких автогрейдеров =2,5... 40,0 кН, средних =40... 60 кН, тяжелых =60 ... 80 кН;f_c— коэффициент трения стали о грунт.

Сопротивление (кН) перемещению призмы волочения

, (7)

где —вес призмы волочения, кН;  —удельный вес грунта, кН/м³; — коэффициент разрыхления грунта; — угол трения грунта о грунт.

Сопротивление (кН) перемещению грунта вдоль отвала

(8)

и вверх по нему

,(9)

где  — сила перемещения призмы волочения, нормальная в плане к отвалу, кН; — сила трения грунта при движении вдоль отвала.

Общее сопротивление копанию грунта автогрейдером (кН)

Сопротивление перемещению автогрейдера (кН)

,

где —суммарный коэффициент сопротивления качению колес;

— суммарная нормальная реакция на все колеса, кН;  — масса автогрейдера, кг; g=9,81 м/с²; — угол наклона поверхности движения к горизонту, град.

При <10°

при >10°

Сопротивление F₈(кН) определяют как силу инерции при разгоне

(10)

где — масса автогрейдера и грунта в призме волочения, кг; v_p— рабочая скорость движения, м/с; t_P - время разгона, с; =3... 5 с. '

Сила сцепления автогрейдера (кН)

,

где  — характеристика развески колес по осям автогрейдера; е=1 при схеме 333, 133, 222 и =0,7...0,75 при схеме 112 и 123; G_а — полный конструктивный вес, кН.

Номинальная сила тяги по сцеплению (кН), соответствующая 20% коэффициента буксования, при котором тяговая мощность близка к максимальной,

Условия возможности рабочего движения по сцеплению

При движении с установившейся рабочей скоростью (F₈=0)возможную максимальную площадь сечения вырезаемой стружки S_c (м²) определяют из уравнения

,

где левая часть уравнения представляет собой свободное тяговое усилие, которое реализуется непосредственно для копания. При разработке автогрейдером выемки площадью поперечного сечения S_K(м²) необходимое число проходов

 

где — коэффициент, учитывающий неравномерность сечения стружки при отдельных проходах; = 1,30 ... 1,35; S_c — по уравнению (5).

При транспортном режиме общее тяговое сопротивление (кН)

где F₉— сопротивление воздуха, кН; F₈ — по формуле (10), кН.

Сопротивление воздуха (кН)

где k₀— коэффициент обтекаемости;

k₀ =0,6...0,7 Н-с²/м⁴; — лобовая площадь, м²;

; v_T — установившаяся транспортная скорость, км/ч.

Мощность двигателя.

На первой рабочей скорости при режиме максимальной тяговой мощности с учетом коэффициента буксования 6 = 20% двигатель должен работать на режиме максимальной мощности (кВт)

,(11)

где G_a — в кН; v_p — в м/ч; — общий КПД трансмиссии, k_BЫX— коэффициент выходной мощности двигателя; k_BЫX=0,9; k_o — коэффициент, учитывающий отбор мощности на привод вспомогательных механизмов (подъем отвала и др.);. k_o =0,75 . .. 0,90.

Мощность (кВт) при передвижении на максимальной транспортной скорости v_{т max}

,(12)

гдеG_a и F₉— в кН; —в м/ч.

По наибольшему значению N [формулы (11) и (12)] с коэффициентом запаса = 1,2 ... 1,4 подбирают двигатель.

Рис. 2.4.3.1. Схема к расчету автогрейдера в рабочем режиме (а) и его отвала (б)

Внешние силы и реакции, действующие на автогрейдер. Рассмотрим внешние силы и реакции на примере наиболее распространенного автогрейдера с колесной схемой 123 при копании грунта (рис. 1,а). На автогрейдер действуют активные силы: G_a— вес автогрейдера (кН), силы тяги на ведущих колесах Рк₂ и Рк₃. Реактивные силы — суммарные нормальные составляющие реакции на передние R₁и задние R'₂и R'zколеса, суммарные касательные составляющие на те же колеса foR₁, foR’₂и foR'_Z(сопротивления движению колес), составляющие реакции, действующие на отвал, R_x, R_yи R_z, боковые горизонтальные реакции F'₁F'₂, F'₃и F₁.

При рассмотрении этой системы сил сделаны следующие допущения: пренебрегли смещением реакций R₁R'₂и R'₃ вследствие деформации шин, то есть , так как они малы по сравнению с длиной базы L’_a; реакции f₀R₁, f_QR₂, f₀R'₃, F₁, F'₂и F'_Z, силы  и  расположены в одной плоскости на уровне опорной линии колес; составляющие реакций грунта R_x, R_y, R_zприложены к переднему концу отвала параллельно соответствующим осям координат; на режиме максимальной тяговой мощности ; вертикальные составляющие реакций на правые и левые колеса соответствующих осей равны между собой; 2R₂'+ 2R₃'= R₂, которая приложена на оси подвески заднего балансира по оси автогрейдера, соответственно 2f_oR’₂+2f_oR’₃= f_oR₂; общая сила тяги на ведущих колесах и приложена по оси автогрейдера; боковые реакции на задние оси F₂'=₃' и F₂'+F’₃=F’₁

Рассматривая отвал как косой клин, можно найти соотношения между составляющими реакции грунта, действующими на отвал

где x₁и х₂ определяются по теории косого клина; в среднем x₁=0,15...0,20; х₂=0,3...0,4.

Считая, что автогрейдер находится в равновесии под действием системы сил и реакций, показанной на рисунке 2.4.3.1, а, можно найти силы и реакции из шести уравнений равновесия относительно пространственной системы координат xyz. Начало координат в точке О

 

Совместным решением этих уравнений определяют реакции R_x, R_y, R_z, R₁, R₂, F’₁ и F₁ Возможность реализации тягового усилия Р_к проверяют по условию сцепления.

Порядок выполнения работы

 

Исходные данные

Параметры	индекс машины
	ГС-10.01
Класс	100
Двигатель:
модель	Д-243
мощность, кВт	58,7
Тип трансмиссии	механическа
Скорость движения вперед/назад, км/ч	2...35/
	4,2...9,4
Колесная формула	1x2x2
База, мм	4200
Колея колес передних/задних, мм	1800/1770
Дорожный просвет, мм	300
Радиус поворота, мм	4750
Тип рамы	ШСР*
Угол складывания шарнирно-сочлененной рамы, град	н/д
Смещение колес переднего моста, мм	н/д
Угол наклона передних колес, град	20
Рабочее оборудование:
грейдерный отвал:
размеры (длина х высота), мм	2730 х 470
максимальное заглубление, мм	100
угол резания регулируемый, град	30...70
угол поворота в плане, град	± 45
боковой вынос, мм	600/400
угол обрабатываемого откоса, град	—
бульдозерный отвал:
размеры (длина х высота), мм	2440 х 625
максимальное заглубление, мм	50
кирковщик (рыхлитель):
число зубьев	-
ширина киркования, мм	-
наибольшая глубина рыхления, мм	-
Габаритные размеры, мм	7140х2400х3220
Масса эксплуатационная, кг	7500
Изготовитель	ОАО "Брянский арсенал"

 между опорной поверхностью и режущей кромкой отвала, вынесенного за пределы основной рамы и наклоненного так, что один край режущей кромки находится на опорной поверхности, а другой максимально поднят ( = 0... 80°); угол наклона отвала  или угол зарезания, аналогичен , но определяется при положении отвала, симметричного оси автогрейдера ( = 0.. .30°); угол захвата  - угол в плане между режущей кромкой отвала и осью автогрейдера ( = 0±90°); при вырезании грунта  = 30...40°; при перемещении  = 60...75°, при планировке  = 90°.

Радиус кривизны отвала (рис. 1,б):

(м),

где  — угол опрокидывания отвала, во избежание пересыпания грунта за отвал =65... 75°; при установке отвала , где — центральный угол, град.

Производительность. При постройке насыпи из боковых резервов производительность будет равна:

(1)

где V — объем грунта, перемещаемого за один проход, м³

(2)

=1,8...2,0 — коэффициент наполнения; =30...40° — угол естественного откоса;  —продолжительность цикла, с;

 (с)

, , и , , — длина пути (м) и скорость (м/с) соответственно резания, перемещения и обратного (холостого) хода; — время на переключение передач, с; =5 с; t₀— время на опускание и подъем отвала, с; to=1,5... 2,5 с; — время поворота в конце участка, с; — коэффициент разрыхления грунта.

Тяговые сопротивления и тяговый расчет

Различают два режима работы автогрейдера: рабочий и транспортный. Для первого характерны большие тяговые сопротивления и малые скорости движения, а для второго при движении с поднятым отвалом—большие скорости движения и сравнительно малые тяговые усилия.

При рабочем режиме общее тяговое сопротивление (кН)

 

,(3)

где — сопротивления соответственно резанию грунта, трению ножа о грунт, перемещению призмы волочения по грунту, перемещению грунта вдоль отвала, перемещению грунта вверх по отвалу, перемещению автогрейдера на колесах, преодолению уклона пути и разгона автогрейдера до установившейся рабочей скорости, кН; ;— соответственно суммарные сопротивления копанию и перемещению, кН.

Сопротивление (кН) резанию грунта

 (кН)(4)

где  — удельное сопротивление грунта резанию ножом, кН/м²: S_C проекция площади поперечного сечения стружки грунта на плоскость, перпендикулярную к направлению движения автогрейдера, м²; при угле захвата =90° и <90° и угле зарезания = 0 (отвал горизонтален) соответственно (м²)

 

S_c = L_oh_p=3,7*0,05=0,2 (м²)

;(5)

 

Lo — в м; h₀ глубина резания, м.

Сопротивление (кН) трению ножа о грунт.

(кН)(6)

де — вертикальная составляющая суммарного усилия, действующего на нож, зависящая от типа автогрейдера, положения ножа внутри базы, угла захвата и определяемая из общей схемы сил, действующих на автогрейдер, кН. Для ориентировочных предварительных расчетов при колесных схемах 123, 112, 133 для легких автогрейдеров =2,5... 40,0 кН, средних =40... 60 кН, тяжелых =60 ... 80 кН;f_c— коэффициент трения стали о грунт, который подбирается по таблице 1.

Таблица 1. Коэффициент трения грунта о поверхность ножа (полированная сталь)

Состояние грунта	Глина	Песчаник	Песчано-глинистый	Глинистый перегной
Влажный	0,43-0,48	0,79-0,82	0,63-0,78	0,45-0,52
Сухой	0,33-0,41	0,38-0,55	0,36-0,5	0,350,43

Сопротивление (кН) перемещению призмы волочения:

(кН), (7)

где  —вес призмы волочения, кН;

Сопротивление (кН) перемещению грунта вдоль отвала

(кН) (8)

и вверх по нему

кН) (9)

где  — сила перемещения призмы волочения, нормальная в плане к отвалу, кН; — сила трения грунта при движении вдоль отвала.

Общее сопротивление копанию грунта автогрейдером (кН)

(кН)

Сопротивление перемещению автогрейдера (кН)

,(кН)

где —суммарный коэффициент сопротивления качению колес;

— суммарная нормальная реакция на все колеса, кН;  — масса автогрейдера, кг; g=9,81 м/с²; — угол наклона поверхности движения к горизонту, град.

При <10°

при >10°

Сопротивление F₈(кН) определяют как силу инерции при разгоне

 (кН)(10)

где — масса автогрейдера и грунта в призме волочения, кг; v_p— рабочая скорость движения, м/с; t_P - время разгона, с; =3... 5 с. '

Сила сцепления автогрейдера (кН)

(кН)

где  — характеристика развески колес по осям автогрейдера; е=1 при схеме 333, 133, 222 и =0,7...0,75 при схеме 112 и 123; G_а — полный конструктивный вес, кН.

Номинальная сила тяги по сцеплению (кН), соответствующая 20% коэффициента буксования, при котором тяговая мощность близка к максимальной,

 (кН)

Условия возможности рабочего движения по сцеплению

При движении с установившейся рабочей скоростью (F₈=0)возможную максимальную площадь сечения вырезаемой стружки S_c (м²) определяют из уравнения

5,3-0,01=28*0,1

где левая часть уравнения представляет собой свободное тяговое усилие, которое реализуется непосредственно для копания. При разработке автогрейдером выемки площадью поперечного сечения S_K(м²) необходимое число проходов

 

где — коэффициент, учитывающий неравномерность сечения стружки при отдельных проходах; = 1,30 ... 1,35; S_c — по уравнению (5).

При транспортном режиме общее тяговое сопротивление (кН)

(кН)

где F₉— сопротивление воздуха, кН; F₈ — по формуле (10), кН.

Сопротивление воздуха (кН)

(кН)

где k₀— коэффициент обтекаемости; k₀ =0,6...0,7 Н-с²/м⁴; — лобовая площадь, м²; ; v_T — установившаяся транспортная скорость, км/ч.

Мощность двигателя. На первой рабочей скорости при режиме максимальной тяговой мощности с учетом коэффициента буксования 6 = 20% двигатель должен работать на режиме максимальной мощности (кВт)

,(кВт)(11)

где G_a — в кН; v_p — в м/ч; — общий КПД трансмиссии, k_BЫX— коэффициент выходной мощности двигателя; k_BЫX=0,9; k_o — коэффициент, учитывающий отбор мощности на привод вспомогательных механизмов (подъем отвала и др.);. k_o =0,75 . .. 0,90.

Мощность (кВт) при передвижении на максимальной транспортной скорости v_{т max}

,(кВт)(12)

гдеG_a и F₉— в кН; —в м/ч.

По наибольшему значению N [формулы (11) и (12)] с коэффициентом запаса = 1,2 ... 1,4 подбирают двигатель

(кВт)