3. Общий расчёт экскаватора

3.1 Определение основных параметров рабочего оборудования

Ёмкость ковша q_K 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 l_ц практически принимают в зависимости от ёмкости ковша, измеряемой в литрах:

q_K = 50; l_ц = 200 мм

Шаг ковша (расстояние между ковшами)

t_k = Z · l_ц,

где Z – число звеньев между ковшами.

Z принимают равным 4. Предпочтительной считают четырёхзвенную цепь.

t_k = 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 h_k принимают

мм

Радиус днища ковша r_k равен

,

мм

где h_ц - ширина звена цепи (h_ц = 100 мм).

Длина ковша l_k равна

мм,

геометрическая емкость экскаватора

,

где

B_K - ширина ковша.

Ширину ковша принимают

,

м.

B_T - 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 V_k - 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 l_ц,

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 К_Н - коэффициент наполнения ковшей, зависящий от категории грунта (1 категория - К_Н = 0,9...1,2; 2 категория - К_Н = 0,8...1,1; 3 категория - К_Н = 0,75...1,0; 4 категория - К_Н = 0,7...0,9 ); К_Р - коэффициент разрыхления грунта (К_Р = 1,1...1,3, для мёрзлых грунтов К_Р = 1,5...1,6); К_В - коэффициент использования рабочего времени (К_В = 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 K_l - удельное сопротивление грунта копанию, Н/м²; П_Т - техническая производительность, м³/ч; η_ц - КПД ковшовой цепи (η_ц = 0,9); η_μ - КПД трансмиссии (η_μ = 0,85...0,9)

Для первой категории K_l = 10⁵Н/м², для второй K_l = 2·10⁵Н/м², для третей K_l = 3·10⁵Н/м², для четвёртой K_l = 4·10⁵Н/м².

кВт.

Мощность, расходуемая на подъём грунта.

кВт,

где γ_r - объёмный вес грунта ( Н/м³;

Н_Т - 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 W_сопр - сопротивление передвижению; W_внешн - сопротивление внешних нагрузок; W_перек - сопротивление перекатыванию; W_инерц - сопротивление сил инерции; W_уклон - сопротивление преодоления сил уклона.

Н;

,

Вт.

Мощность расходуемая на преодоление сопротивлений движению

N_f = 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 q_k - ёмкость ковша, м³

м.

Н

б) Усилие подъёма грунта из забоя на обе цепи

H,

в) Усилие подъёма ковшей и цепей

, Н,

где G_ц - сила тяжести 1 м ковшовых цепей, Н; G_k - 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 q_k - ёмкость ковша, м³; K_l - 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 μ_l - коэффициент трения в цапфах (μ_l = 0,03...0,06 для подшипников качения, μ_l = 0,15...0,25 для подшипников скольжения); d_l - диаметр оси холостой звёздочки; D_l - диаметр холостой звёздочки; R_l - равнодействующая сила давления на вал холостой звёздочки (рисунок 3.3.а)

Н.

,

где G_l - 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; Z_l - число зубьев ведущей звёздочки (Z_l = 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 n_п - коэффициент запаса (n_п = 8...10).

Н.

По разрушающей нагрузке S_p 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 V_ГР - 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 a_l и b_l 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

П_ТР = 3600 х F x V_ГР 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

П_ТР = 300 х В² x V_ГР х С, м³/ч,

П_ТР = 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 M_восст и опрокидывающий M_опр 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; W_l - 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 W_l, до середины длинны гусеницы (с помощью верёвочного многоугольника); [g] – максимальное допустимое удельное давление на грунт ([g] = 80...100 кН/м²),

Н/м².

Условие q_max<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 V_k - скорость цепи, м/с; D_з - диаметр ведущей звёздочки, м.

Согласно принятой кинематической схеме определяют общее передаточное число i₀ от двигателя до приводного вала

,

где n_ен - 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 N_ен - номинальная мощность двигателя, кВт;

η_T - КПД трансмиссии (η_T = 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 П_Tmax - 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 V_{px 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 V_i - скорость движения экскаватора на данной передаче, км/ч; r_вк - радиус ведущего колеса, м,

об/мин;

n_вк2 = 1,1 об/мин; n_вк3 = 1,7 об/мин; n_вк4 = 2,6 об/мин; n_вк5 = 4,29 об/мин; n_вк6 = 6,92 об/мин

При предварительных расчётах r_зг 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 i_M - передаточное число механических передач от вала двигателя до первичного вала коробки передач; i_T - передаточное число трансмиссии от коробки передач до ведущего колеса,

;

i_кп2 = 6,3; i_кп3 = 4; i_кп4 = 2,5; i_кп5 = 1,6; i_кп6 = 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 N_eп - номинальная мощность двигателя, кВт; η - суммарный КПД привода передвижения; η_ТР - КПД трансмиссии механизма передвижения (η_ТР = 0,87...0,9); η_ДВ - КПД колесного движителя (η_ДВ = 0,85); f₀ - коэффициент сопротивлению движению (f₀ = 0,06); G – сила тяжести экскаватора, Н,

η = η_ТР · η_ДВ

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 V_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 = 0,486 · 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.