Технические науки/4. Транспорт

д.т.н. Сазамбаева Б.Т., к.т.н Киргизбаева Г.Т.

Казахстанский университет «Алатау», Казахстан

Разработка грунта экскаваторами многоцелевого назначения

Производство земляных работ в строительстве характеризуется большой подвижностью фронта работ, разнообразием форм и размеров земляных сооружений, а также различными условиями работ машин на объекте.

Увеличение производительности работ экскаваторов, снижение себестоимости земляных работ зависят в большей степени от правильного вида рабочего оборудования. Создание и проектирование экскаваторов с различными видами рабочего оборудования многоцелевого назначения, обеспечивающее многостороннее их использование является прогрессивным направлением.

При ликвидации последствий природных и техногенных аварий имеет место применение экскаваторов с многопрофильным рабочим оборудованием.

Существующие экскаваторы с обратной и прямой лопатой не всегда могут быть использованы в аварийных ситуациях для разборки завалов, выемки бревен, плит разрушенных зданий и т.д.

Предложенная нами конструкция многоцелевого назначения имеет дополнительные захватывающие устройства, прикрепленные шарнирно к рукояти ковша, оснащены боковыми зубьями для удержания груза, захвата нестандартных грузов. Предложенный экскаватор предназначен как для отрыва грунта при работе с ковшом, также для выемки объемных тел с помощью захватывающих лап.

Несмотря на то, что проектирование машин на основе анализа существующих конструкций с последующей проработкой альтернативных вариантов перспективен, такое исследование требует значительных затрат времени и носит субъективный характер. Не всегда известны насколько принятые параметры отличаются от оптимальных с точки зрения уменьшения массы и равномерности распределения нагрузок на элементы машин.

Создание действующих моделей для сравнительного анализа в настоящее время очень дорого и хлопотно.

Известно, что расчетам прочности, определению несущей способности, определению напряженно-деформированного состояния основных узлов машины, в частности многоцелевого экскаватора посвящено много работ.

В этих расчетах производится в основном инженерные, экспериментальные и тензометрические методы исследования

Сложность и разнообразие предлагаемых конструкций, отсутствие достаточных исследований в области изучения влияния параметров предлагаемого нового рабочего оборудования, определение загруженности элементов оборудования требует применения численных методов расчета.

Использование дискретных, конечно-элементных моделей становятся общепринятыми для проведения инженерных расчетов.

Появившиеся в последние годы программные продукты как ANSYS, NASTRAN, Solides ,APM и другие для расчета конструкций машин позволяют на стадии проектирования проводить анализ и синтез исследуемых конструкций и выбрать наиболее перспективные.

Совершенствование методов проектирования, моделирование напряженно-деформированного состояния металлоконструкции машин открывает возможности для более углубленного исследования несущих конструкций рабочего оборудования многоцелевых экскаваторов, назначить их оптимальные параметры.

Созданию методики расчета рабочего оборудования многоцелевого одноковшового экскаватора посвящена данная работа.

Ходовая рама, поворотная платформа и рабочее оборудование экскаватора являются основной опорной частью конструкции, воспринимающей все нагрузки и колебания.

Ковш является цельнолитым, отдельные элементы для расчета можно представить в виде плоских рамных систем. Если предположить жесткость задней стенки больше жесткости передней и боковых стенок, то расчетную схему можно представить в виде трижды неопределимой рамы. А если рассматривать ковш, где передняя и боковые стенки из одного листа, то расчетную схему можно рассматривать как двухшарнирную арку.

Рукоять должна быть рассчитана на изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также кручению, сжатию и растяжению.

Первый расчетный случай, когда рукоять выдвинута на уровне напорного вала.

Вторым расчетным случаем для рукояти может служить период разгона или торможения механизма вращения с груженным ковшом при полном вылете рукояти. Возникающие инерционные нагрузки в горизонтальной плоскости могут быть определены по массам ковша, рукояти и захватывающих лап. Опасными будут сечения в местах крепления ковша к рукояти, лап к рукояти и стрелы к платформе. Усилия рабочего органа и ковша приложены эксцентрично к средней кромке крайнего зуба и вызывают дополнительные напряжения от кручения.

Стрела экскаватора - основной узел рабочего оборудования, несущая металлическая балка, один конец которой закреплен на поворотной платформе экскаватора и может изменять угол наклона, а второй – шарнирно с рукоятью. Стрелы экскаваторов выполняют в виде очень прочной, пустотелой, сваренной из легированного металлопроката конструкции. Стрелу экскаватора изготовляют цельной или составной из двух, трех звеньев. Основная и удлиняющая стрелы экскаватора соединены между собой пальцем. Чтобы во время работы не было поворота одной части стрелы по отношению к другой, между ними дополнительно устанавливают соединительную тягу.

Головная часть стрелы экскаватора опирается на гидроцилиндры, при помощи которых изменяется угол наклона; пята стрелы экскаватора шарнирно закреплена в проушинах поворотной рамы, к которой также присоединены и гидроцилиндры ее подъема (у экскаваторов с гидравлическим приводом). Конструкция основной части стрелы включает главный несущий элемент - полую балку коробчатого сечения. Короб сверху закрыт листом. В наиболее нагруженных сечениях балка дополнительно усилена боковыми листами, подвержена сжатию, изгибу и кручению. Опорами служат нижний шарнир стрелы и крепление цилиндра подъема стрелы. Определяются и учитываются сила штока, усилие реакции грунта и боковое усилие, прикладываемое к крайнему зубу ковша. На стрелу действуют следующие нагрузки: собственный вес стрелы, который принимается сосредоточенным или распределенным по длине стрелы, вес ковша с грунтом, усилия в штоке гидроцилиндра, инерционные силы, вызванные началом поворота или торможения поворотной платформы, а также ветровая нагрузка. После выбора и проверки необходимых размеров сечения стрелы производится проверка общей устойчивости при действии сжимающих сил.

Расчет захватывающих лап производится при положении рабочего оборудования, соответствующего максимальному усилию в шарнире крепления. При проектировании определяется оптимальная высота захватывающих лап, угол крепления лап к рукояти. При увеличении высоты, усилие в шарнире крепления уменьшится, но возрастут габариты рабочего оборудования, смещение места крепления приведет к увеличению нагрузки на рукоять и стрелу.

Расчет поворотной платформы проводился с учетом смонтированного силового оборудования и основных механизмов экскаватора. Платформа может быть сварной или комбинированной, на небольших по габариту экскаваторах поворотные платформы могут быть балочной конструкции, состоящих из двух основных продольных балок, связанных поперечными балками. Платформа является наиболее нагруженным участком экскаватора. На нее действуют собственный вес, реактивные силы в пяте стрелы, инерционные силы, возникающие при повороте платформы и ветровая нагрузка. Действующие на платформу нагрузки являются динамическими, в связи с чем при расчете учитывали коэффициент динамичности. Поворотная платформа должна быть и жесткой и прочной. По упрощенной схеме для ориентировочных расчетов поворотную платформу рассчитывали как балку, работающую на изгиб под действием вертикальной нагрузки с опасным сечением под передними и задними катками. Для платформы балочной конструкции в расчетное сечение вводили только продольные балки и при этом запасы прочности были увеличены.

Опорой для поворотной платформы служит нижняя рама, которая и воспринимает нагрузки от нее. Для экскаваторов малой и средней мощности нижнюю раму рекомендуют изготавливать литыми, для экскаваторов большей мощности - сварными. Рамы изготавливаются из радиальных и кольцевых балок коробчатого сечения и обладают большой жесткостью. Их можно рассматривать как пространственные внутренне статически неопределимые системы и расчет производить методами строительной механики.

Нижнюю раму экскаватора рассматривали как отдельные свободно опертые двухопорные балки без учета промежуточных и поперечных связей между ними и считали на изгиб.

Учитывая вышеизложенное можно сделать следующие выводы:

1. Проведенные исследования показали, что металлоконструкция рабочего оборудования предлагаемого многоцелевого экскаватора соответствует нормам эксплуатации, спроектированы с запасом прочности и имеют возможность повышения нагрузок.

2. Необходимо учитывать характер нагружения каждого элемента рабочего оборудования экскаватора.

Литература:

1. Агапов В.П. Метод конечных элементов статики, динамики и устойчивости конструкции /В.П. Агапов. М.: Мир, АСВ, 2004.

2. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1990. – 358 с.