Курсовой проект на тему: Расчет цепного траншейного экскаватора
3. Общий расчёт экскаватора
3.1 Определение основных параметров рабочего оборудования
Ёмкость ковша qK предварительно назначают по аналогии, с существующими конструкциями экскаваторов принимая во внимание в основном ширину отрываемой траншеи. Схема для определения размеров ковша экскаватора показана на рисунке 3.1.
Шаг ковшовой цепи lц практически принимают в зависимости от ёмкости ковша, измеряемой в литрах:
qK = 50; lц = 200 мм
Шаг ковша (расстояние между ковшами)
tk = Z · lц,
где Z – число звеньев между ковшами.
Z принимают равным 4. Предпочтительной считают четырёхзвенную цепь.
tk = 4 x 200 = 800 мм
Рисунок 3.1. Схема для определения размеров ковша экскаватора
В экскаваторах малой и средней мощности применяются преимущественно шестигранные приводные звёздочки. В мощных моделях при повышенных скоростях ковшовой цепи с целью уменьшения динамических нагрузок наравне с шестигранными используют восьмигранные звёздочки.
Внутренний радиус шестигранной звёздочки r6 равен
мм.
Высоту ковша hk принимают
мм
Радиус днища ковша rk равен
,
мм
где hц - ширина звена цепи (hц = 100 мм).
Длина ковша lk равна
мм,
геометрическая емкость экскаватора
,
где
BK - ширина ковша.
Ширину ковша принимают
,
м.
BT - где ширина траншеи, м.
При расчёте скорости движения цепи необходимо обеспечить достаточное время для падения грунта из ковша в бункер до встречи падающего грунта со следующим ковшом.
Высыпающийся грунт падает вертикально вниз, а ковш движется поступательно, параллельно оси ковшовой цепи. Встреча падающих частиц грунта с ковшом может произойти в точке B (рисунок 3.2.б).
Для обеспечения полного высыпания грунта до встречи с ковшом следует выбирать такие скорости, что бы падающие частицы грунта прошли путь y за время, меньшее, чем кромка ковша f2 - пройдёт расстояние х т.е.
,
где Vk - скорость ковшовой цепи м/с; К – опытный коэффициент запаса (К = 1,5); g = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести.
При шестигранной (шестизубой) приводной звездочке и углах наклона ковшовой цепи . Значения у и х с достаточной степенью точности можно определить по зависимостям:
y = 1,73 x lц,
y = 1,73 x 200 = 346 мм;
,
мм.
В современных конструкциях величина скорости цепи принимается в среднем 0,75 - 0,9 м/с, при крайних пределах – 0,5 - 1,2 м/с. При рациональной форме ковша и правильном расположении его на цепи для некоторых категорий грунтов удаётся получить уменьшение времени разгрузки ковша, что позволяет увеличить скорость цепи в отдельных случаях до 1,4 м/с.
;
21,7 > 12,6
3.2 Определение производительности экскаватора
Часовую эксплуатационную производительность определяют по формуле
м3/ч,
где КН - коэффициент наполнения ковшей, зависящий от категории грунта (1 категория - КН = 0,9...1,2; 2 категория - КН = 0,8...1,1; 3 категория - КН = 0,75...1,0; 4 категория - КН = 0,7...0,9 ); КР - коэффициент разрыхления грунта (КР = 1,1...1,3, для мёрзлых грунтов КР = 1,5...1,6); КВ - коэффициент использования рабочего времени (КВ = 0,85).
м3/ч.
В отличие от эксплуатационной производительности техническая производительность равна
,
м3/ч;
а теоретический
м3/ч.
3.3 Определение мощности двигателя
Мощность двигателя экскаватора расходуется на привод ковшовой цепи и на передвижение экскаватора т.е.
.
Мощность, расходуемая на копание.
, кВт,
где Kl - удельное сопротивление грунта копанию, Н/м2; ПТ - техническая производительность, м3/ч; ηц - КПД ковшовой цепи (ηц = 0,9); ημ - КПД трансмиссии (ημ = 0,85...0,9)
Для первой категории Kl = 105Н/м2, для второй Kl = 2·105Н/м2, для третей Kl = 3·105Н/м2, для четвёртой Kl = 4·105Н/м2.
кВт.
Мощность, расходуемая на подъём грунта.
кВт,
где γr - объёмный вес грунта ( Н/м3;
НТ - заданная глубина траншеи, м;
Н0 - высота подъёма грунта от поверхности земли до уровня разгрузки, м (устанавливается конструктивно с сопоставлением этой величины у экскаваторов – прототипов).
кВт.
Мощность, расходуемая на передвижение трактора.
где Wсопр - сопротивление передвижению; Wвнешн - сопротивление внешних нагрузок; Wперек - сопротивление перекатыванию; Wинерц - сопротивление сил инерции; Wуклон - сопротивление преодоления сил уклона.
Н;
,
Вт.
Мощность расходуемая на преодоление сопротивлений движению
Nf = G x f
где f – коэффициент сопротивления передвижению, G – вес трактора, Н.
Вт.
кВт.
3.4 Расчёт максимального усилия в цепи рабочего органа и подбор цепи
На ковше цепи в процессе работы экскаватора действуют следующие усилия (рисунок 3.2.а).
Рисунок 3.2. Схемы к расчету усилий в ковшовой цепи (а) и скорости цепи (б)
а) Усилие копания на обе цепи
, Н,
где S - толщина срезаемой стружки, м, определяемая из условия наполнения ковша при прохождении забоя
, м
где qk - ёмкость ковша, м3
м.
Н
б) Усилие подъёма грунта из забоя на обе цепи
H,
в) Усилие подъёма ковшей и цепей
, Н,
где Gц - сила тяжести 1 м ковшовых цепей, Н; Gk - сила тяжести ковша Н; L – расстояние между центрами приводной и натяжной звёздочек, м.
Сила тяжести 1 м ковшовых цепей в сборе с ковшами при четырёхзвенном шаге составляет
, Н,
где qk - ёмкость ковша, м3; Kl - удельное сопротивление копанию, Н/м2.
От этой силы тяжести на долю ковшей приходится 55-60%, а на долю цепи 40-45%.
г) Усилие преодоления трения в цапфах холостых колёс и звёздочек от предварительного натяжения цепей
,
где μl - коэффициент трения в цапфах (μl = 0,03...0,06 для подшипников качения, μl = 0,15...0,25 для подшипников скольжения); dl - диаметр оси холостой звёздочки; Dl - диаметр холостой звёздочки; Rl - равнодействующая сила давления на вал холостой звёздочки (рисунок 3.3.а)
Н.
,
где Gl - вес холостой звёздочки и оси (принимается из конструктивных соображений); Н - первоначальное натяжение, необходимое для нормальной работы цепи (рисунок 3.3.б).
где f - стрела прогиба цепи (f = 0,1...0,5L).
д) Усилие преодоления сил инерции при работе ковшовой цепи
, Н,
где G – сила тяжести движущихся частей ( цепей, ковшей и грунта в ковшах), Н; g = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести; Zl - число зубьев ведущей звёздочки (Zl = 6...8).
Н.
е.) Усилие преодоления жесткости ковшовой цепи.
Это усилие может быть получено от работы сил трения в шарнирах цепи за один оборот, делённой на пройденный путь звена цепи (рисунок 3.4.):
, Н,
Рисунок 3.3. Схема к расчёту усилий:
а) действующих на ковшовую цепь; б) первоначального натяжения цепи.
Н.
где μ2 - коэффициент трения (μ2 = 0,25...0,3); d2 - диаметр пальца соединяющего звенья (d2 = 20...50 мм, большие значения для более мощных экскаваторов);
T1 = W1 + W2 + W3 + W4 + W5 + H;
T2 = W3 + H.
Рисунок 3.4. Схема к расчёту усилий в ковшовой цепи.
T1 = 13972,5 + 793 + 362 + 18 + 307,6 + 200 = 15653,1 Н;
T2 = 793 + 947 = 1740 Н.
ж) Усилие преодоления трения в цапфах вала ведущих звёздочек
, Н,
где d3 - диаметр приводного вала; D3 - диаметр приводной звёздочки; R2 - равнодействующая всех сил, действующих на втулки приводного вала:
, Н
где G2 - вес узла приводной звёздочки с валом (принимают конструктивно).
Н;
Н.
Кроме перечисленных выше усилий необходимо учитывать также потери на трение цепей о направляющие детали ковшовой рамы, трение ковшей о желоб, трение в перегибах ковшовой рамы, трение очистительных устройств. Эти потери составляют 5-10% от основных усилий в ковшовой цепи.
Таким образом, расчёт ковшёвых цепей следует вести на усилие
, Н,
Н.
При возможности неравномерного распределения тягового усилия на одну ковшовую цепь действует усилие
,
Н.
Разрушающая нагрузка цепи
,
где nп - коэффициент запаса (nп = 8...10).
Н.
По разрушающей нагрузке Sp выбираем по справочной литературе стандартную пластинчатую шарнирную цепь М 112 – 1 – 200 – 1 ГОСТ 588-74, Ширина цепи 40 мм.
Окружное усилие на ведущих приводных звёздочках
Н.
Окружное усилие на одной звёздочке
,
Н.
3.5 Расчёт основных параметров транспортёра
Длину транспортёра L определяют из технических условий, по которым длина транспортёра и расстояние от оси отвала l должны обеспечить необходимую величину бермы у грани траншеи (рисунок 3.5.).
Величина бермы апринимается не менее 0,5...1 м.
Рисунок 3.5. Схема к расчету длины транспортера
Из расчётной схемы (рисунок 3.5.) имеем
,
где l - дальность полёта частиц грунта на уровне вылета (из т.В. в т.С. по горизонтали).
Значение l определяется равенства времени перелёта частиц по горизонтали из т.В. в т.С. и времени свободного падения с набранной частицами высоты во время полёта, т.е.
,
где VГР - скорость движения ленты транспортёра ; g - ускорение силы тяжести; α - угол наклона транспортёра (α = 3...28°)
l = 216 мм ≈ 0,22 м
Высоту отвала, а следовательно, положение по высоте т. В и т. С определяют из соотношения
Положение точки т. А, т.е. размеры al и bl принимают из конструктивных соображений. Окончательно габаритные размеры транспортёра определяют геометрическим построением по вычисленным: L, H, d, l, но при этом необходимо соблюдать условие, чтобы транспортёр в процессе работы не касался поверхности отвала.
Производительность транспортёра определяют по формуле
ПТР = 3600 х F x VГР х С, м3/ч,
где F - площадь поперечного грунта на ленте транспортёра, м2; С – коэффициент, учитывающий влияние угла подъёма транспортёра α (при α = 25°, С = 0,685)
Для транспортёра с желобчатой лентой
ПТР = 300 х В2 x VГР х С, м3/ч,
ПТР = 300 х 0,352 x 5 х 0,685 = 125,6 м3/ч
3.6 Расчёт устойчивости экскаватора
Расчёт устойчивости экскаватора предполагает определение положения его центра тяжести. При этом необходимо, чтобы равнодействующая всех сил не выходила из пределов средней трети гусеницы, а давление гусеницы на грунт имело допустимые значения.
Силы тяжести и координаты отдельных частей экскаватора в предварительных расчётах оценивают ориентировочно на основании анализа конструкций экскаваторов- прототипов. В дальнейшем, после детального расчёта всех узлов проектируемого экскаватора, уточняют значения сил тяжести и корректируют расчёт устойчивости.
Положение центра тяжести обычно определяют с помощью верёвочного многоугольника (см. рисунок 3.6.,а).
Рисунок 3.6. Схемы к расчёту экскаватора на устойчивость
Сила тяжести экскаватора G = 61312,5 Н
Расчёт на устойчивость сводится к рассмотрению двух положений экскаватора: рабочего – с опущенной ковшовой рамой; нерабочего – с поднятой рамой (транспортный ход машины).
Коэффициент устойчивости в рабочем и транспортном положении должен быть не менее 1,25 , т.е.
,
Восстанавливающий Mвосст и опрокидывающий Mопр моменты определяют относительно точки О, соответствующей ребру опрокидывания.
Коэффициент устойчивости экскаватора в рабочем положении равен (см. рисунок 3.6.,б)
где G0 - сила тяжести экскаватора без ковшовой рамы с цепями и ковшами; Wl - усилие копания на обе цепи; γ - угол наклона местности (γ = 10...11°),
Коэффициент устойчивости в транспортном положении равен (см. рисунок 3.6.,в)
,
3.7 Определение давления на грунт
Среднее удельное давление на грунт
,
где B - ширина гусеничной цепи; l - длина опорной поверхности гусеницы; F – опорная поверхность экскаватора,
Н/м2.
Максимальное удельное давление на грунт равно
,
где x – расстояние от центра силы тяжести экскаватора определяемого с учётом силы Wl, до середины длинны гусеницы (с помощью верёвочного многоугольника); [g] – максимальное допустимое удельное давление на грунт ([g] = 80...100 кН/м2),
Н/м2.
Условие qmax<g выполняется.
3.8 Расчёт привода рабочего оборудования
По принятой скорости цепи рабочего органа и диаметру ведущей звёздочки определяют частоту вращения приводного вала
об/мин,
где Vk - скорость цепи, м/с; Dз - диаметр ведущей звёздочки, м.
Согласно принятой кинематической схеме определяют общее передаточное число i0 от двигателя до приводного вала
,
где nен - номинальная частота вращения вала, об/мин.
Разбивают общее передаточное число на передаточные числа отдельных механических передач (в соответствии с кинематической схемой).
Исходя из максимального крутящего момента на турасном (приводном) валу, ограниченного муфтой предельного момента. Этот момент принимают равным
Нм ,
где Nен - номинальная мощность двигателя, кВт;
ηT - КПД трансмиссии (ηT = 0,8...0,85).
Расчёт элементов привода рабочего органа выполняют обычными методами строительной механики и курса деталей машин.
В заключение данного раздела рассчитывают параметры муфты предельного момента.
3.9 Расчёт коробки перемены передач
При расчёте коробки перемены передач, прежде всего, задаются количеством передач в рабочем и транспортном режимах, ориентируясь на современные модели экскаваторов.
Затем определяют максимальную скорость передвижения экскаватора в рабочем режиме
м/с,
где ПTmax - максимальная техническая производительность экскаватора.
м/с (1,875 км/ч)
Минимальную скорость принимают равной
м/с (0,1875 км/ч)
Затем определяют знаменатель геометрической прогрессии
,
где n - число передач,
Принимая Vpx min за скорость на первой передаче, определяют скорости движения экскаватора на каждой передаче
V2 = V1 · q; V3 = V1 · q2; V4 = V1 · q3; V5 = V1 · q4; V6 = V1 · q5;
V2 = 0,01125 · 1,58 = 0,018 м/с; V3 = 0,028 м/с; V4 = 0,044 м/с; V5 = 0,07 м/с; V6 = 0,1125 м/с
После определения скоростей находят число оборотов ведущей звёздочки гусеничного хода на каждой передаче
, об/мин,
где Vi - скорость движения экскаватора на данной передаче, км/ч; rвк - радиус ведущего колеса, м,
об/мин;
nвк2 = 1,1 об/мин; nвк3 = 1,7 об/мин; nвк4 = 2,6 об/мин; nвк5 = 4,29 об/мин; nвк6 = 6,92 об/мин
При предварительных расчётах rзг принимают по аналогии с наиболее близким по основным параметрам существующими конструкциями экскаваторов.
Далее рассчитывают общее передаточное число трансмиссии от двигателя до ведущей звездочки гусеничной цепи на каждой передаче по формуле
;
i02 = 1545,5; i03 = 1000; i04 = 653,8; i05 = 396,3; i06 = 245,76;
И передаточное число коробки перемены передач на каждой передаче по формуле
,
где iM - передаточное число механических передач от вала двигателя до первичного вала коробки передач; iT - передаточное число трансмиссии от коробки передач до ведущего колеса,
;
iкп2 = 6,3; iкп3 = 4; iкп4 = 2,5; iкп5 = 1,6; iкп6 = 1
3.10 Расчёт механизма передвижения экскаватора
В состав расчётов механизма передвижения экскаватора входит: определение диапазона транспортных скоростей и расчёт трансмиссии от выходного вала коробки передач до ведущей звёздочки гусеничной цепи.
Максимальная скорость может быть определена из рассмотрения случая движения машины по горизонтальному пути при хороших дорожных условиях
, км/ч,
где Neп - номинальная мощность двигателя, кВт; η - суммарный КПД привода передвижения; ηТР - КПД трансмиссии механизма передвижения (ηТР = 0,87...0,9); ηДВ - КПД колесного движителя (ηДВ = 0,85); f0 - коэффициент сопротивлению движению (f0 = 0,06); G – сила тяжести экскаватора, Н,
η = ηТР · ηДВ
η = 0,9 · 0,85 = 0,765
км/ч.
Минимальную скорость передвижения экскаватора определяют из условия преодоления подъёма при тяжёлых дорожных условиях
, км/ч
где γ - угол подъёма пути (γ = 10...11°); f0 = 0,15,
км/ч.
Установив таким образом диапазон транспортных скоростей, разбивают его на ряд скоростей n
Принимая Vmin за скорость на первой передаче, определяют скорости движения экскаватора на каждой передаче
V2 = V1 · q; V3 = V1 · q2; V4 = V1 · q3; V5 = V1 · q4; V6 = V1 · q5
V2 = 0,486 · 1,33 = 0,646 м/с; V3 = 0,86 м/с; V4 = 1,14 м/с; V5 = 1,52 м/с; V6 = 2,75 м/с
4. Узел инициативы
Модернизирован зуб рабочего органа. Цель изобретения, снижение энергоемкости процесса копания и повышения долговечности ковша. Ковш экскаватора содержит боковые стенки и днище с зубьями на верхней грани каждого зуба размещен выступ в виде трехгранной пирамиды с направленным от режущей кромки зуба основанием. Боковые грани каждого из зубьев выполнены различной длины, при этом длина грани ближней к боковой стенке, меньше длины грани, ближней к оси симметрии ковша. Основание пирамиды выполнено прямоугольным, а одна из её граней размещена в плоскости меньшей боковой грани зуба. При взаимодействии зубьев с грунтом образование трапецеидальных прорезей. За счет того, что режущая кромка зубьев не параллельна режущей кромке ковша, а выступает вперед, зубья создают предварительное напряжение и деформацию в грунте. Разрушенный грунт следует по увеличенной верхней грани зуба до встречи с накладной гранью пирамиды, которая формирует поток грунта к центру ковша. Пирамида уменьшает интенсивность износа зубьев со стороны грани, что позволяет увеличить длину грани для снижения энергоемкости резания и выравнивания износа поверхностей зубьев.
Вывод
В данном курсовом проекте был произведен обзор отечественных и зарубежных траншейных цепных экскаваторов, также обзор грунтов и способов их разработки. Целью данного курсового все же являлся расчет одного цепного траншейного экскаватора по параметрам отрываемой траншеи (глубины и ширины).
В этом курсовом проекте были определены основные параметры рабочего оборудования, производительность экскаватора, мощность двигателя. Были произведены расчеты максимального усилия в цепи рабочего органа и подобрана цепь, рассчитаны основные параметры транспортера, также был произведен расчет устойчивости экскаватора в рабочем и транспортном положениях. Было произведено определение давления на грунт, и были рассчитаны привод рабочего оборудования, коробка перемены передач и механизм передвижения экскаватора.
Курс лекций « Машины для земляных работ» и данный курсовой проект предназначены для ознакомления студента с рабочими процессами машин, нагрузками, возникающими при эксплуатации, особенностями устройства наиболее слабых узлов и т. п.
Этот курсовой проект предназначен для обучения студентов работе с патентной информацией и применения её в своем конструкторском решении. Обучает основным принципам модернизации, и изобретательской деятельности, помогает в повышении квалификации будущего инженера.
Список использованных источников
1. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. Конструкция, теория и расчет М.: Машиностроение,1972.-432 с.
2. Строительные машины: Справочник , том 1/Под ред. В.А. Баумана.- М.: Машиностроение , 1976.-502 с.
3. Румянцев В.А. и др. Новые конструкции траншейных экскаваторов.-М.: Машиностроение, 1969.-128 с.
4. Номенклаткра экскаваторов непрерывного действия, выпускаемых заводами Минстройдормаша. - Строительные и дорожные машины.1979. №8, с.3-7.
5. Солнцев В.Г., Мануйлов Ю.Г., Мелиораторные машины в СССР.- Строительные и дорожные машины, 1977. №10, с. 5-6.
6. Гарбузов З.Е. и др. Экскаваторы непрерывного действия.-М.: Высшая школа. 1975.-20.
7. Вартанов С.Х. и др. Экскаватор траншейный цепной ЭТЦ-208 А. – Строительные и дорожные машины. 1978. №12. с. 8-9.
8. Ефремов И.М., Трофимов А.А., Августинопольский Д.С., Расчет цепных траншейных экскаваторов: Методические указания к выполнению курсового проекта. – Братск: БрГТУ, 2003 – 27с.