книги / Одноковшовые погрузчики

стороны, смоделировать самый тяжелый вариант нагружения системы, а с другой – применить для расчета с запасом плоские статистически определимые расчетные схемы. Боковые составляющие нагрузок не вводим в расчетную схему, так как обычно вероятность их появления невелика. Принимается, что погрузчик работает на горизонтальной площадке, ковш перед внедрением находится внизу и днище у него наклонено под углом 5° к опорной площадке.

Основными расчетными схемами для прочностных расчетов являются:

Первая схема. Удар в труднопреодолимое препятствие краем ковша при внедрении погрузчика, движущегося по горизонтальной поверхности при запертых гидроцилиндрах рабочего оборудования (рис. 10, а).

а

б

в

Рис. 10. Действие сил на ковш погрузчика

101

Вторая схема. Внедрение краем ковша в массу материала с вывешиванием погрузчика ковшовыми гидроцилиндрами относительно передних колес на горизонтальной площадке

(рис. 10, б).

Третья схема. Заглубление краем ковша при движении вперед и вывешивание погрузчика на режущей кромке и задних колесах машины стреловыми гидроцилиндрами на горизонтальной площадке (рис. 10, в).

Рассмотрим эти три варианта расчетной схемы с точки зрения определения нагрузок Rх и Ry и усилий в элементах рабочего оборудования.

Первая расчетная схема соответствует моменту удара в препятствие на начальном этапе внедрения ковша в штабель материала или при выполнении бульдозерных работ. Внешняя нагрузка воспринимается крайним зубом ковша, и сила Rx действует по оси его. Горизонтальное усилие определяется силой тяги, массой машины и скоростью движения. Условно можно считать, что она складывается из силы тяги трактора и дополнительного динамического усилия, кН (см. рис. 10, а):

R		=T	+	υp C mп	−W	,
	x
		сц		3,6	1

где Тсц – тяговое усилие погрузчика по сцеплению, кН; υр – рабочая скорость, υр = 3,5 км/ч;

С – приведенная жесткость металлоконструкции и препятствия;

mп – масса погрузчика, mп = 21 т.

W1 – сопротивление передвижению, кН,

W1 =Gп f ,

где Gп – эксплуатационный вес погрузчика, Gп = 205,8 кН;

f – коэффициент сопротивления передвижению, для пневмоколесных машин f = 0,03…0,04;

102

W1 = 205,8 0,04 =8,232 кН.

Тяговое усилие и сопротивление передвижению, кН:

Тсц =Gп ϕ,

где Gп – эксплуатационный вес погрузчика, Gп = 205,8 кН;

ϕ– коэффициент сцепления движителей, ϕ = 0,6…0,8,

Тсц = 205,8 0,7 =144,06 кН.

Приведенная жесткость металлоконструкций рабочего оборудования и труднопреодолимого препятствия, кН:

C = CмCп ,

См +Сп

где Сп – жесткость препятствия; например, для кирпичной кладки сечением 2700 см2 или железобетонного столба сечением 400 см2 составляет (10…12)·103 кН/м.

Сп =12 103 кН/м,

См – жесткость металлоконструкции, кН/м, ориентировочно определяется по рекомендациям ВНИИстройдормаша:

См = K Gп.

где K – коэффициент, составляющий 0,1 на 1 кН веса машины; Gп – вес погрузчика, Gп = 205,8 кН;

См = 20,5 205,8 = 4218,9 кН/м;

C =	4218,9 12 103	=3121,5 кН;
	4218,9 +12 103
Rx =144,06 +	3,5 3121,5 21	−8,232 =384,738 кН.
	3,6

Вертикальная сила в этом положении не учитывается.

103

Вторая расчетная схема. Вертикальная и горизонтальная силы приложены по оси зуба или на режущей кромке на расстоянии 1/4 ширины основного ковша, установленного в положении внедрения.

Вертикальную силу, кН, определяют по устойчивости погрузчика для случая, когда стрела не опирается башмаками на грунт и равна выглубляющему усилию по ковшовым гидроцилиндрам (см. рис. 10, б).

Ry = Gбт b −lGобор а,

где b – расстояние по горизонтали от центра тяжести машины до передней точки опоры, b = 2,625 м;

а – расстояние по горизонтали от центра тяжести машины до передней точки опоры, а = 1,075 м;

l – расстояние от передней точки опоры до кромки ковша, l = 3,7 м;

Gбт – вес базового трактора, Gбт = 161,5 кН;

Gобор – вес погрузочного оборудования, Gобор = 44,3 кН;

Рис. 11. Вертикальное усилие на ковше

Ry =161,5 2,625 −44,3 1,075 =101,7 кН. 3,7

104

Горизонтальная сила Rх, кН, устанавливается по сцеплению с учетом вертикальной силы:

Rx =(Gп + Ry ) ϕ,

где ϕ – коэффициент сцепления движителей, ϕ = 0,6…0,8; Gп – вес погрузчика, Gп = 205,8 кН;

Ry – вертикальное усилие, кН.

Rx =(205,8 +101,7) 0,7 = 215,25 кН.

Третья расчетная схема. Вертикальные и горизонтальные силы действуют на расстоянии 1/4 ширины основного ковша.

В качестве вертикальной силы принимают усилие отпора, создаваемое при вывешивании базового шасси на задних колесах, передние шины не касаются опорной поверхности.

Вертикальное усилие определяют из условия равновесия

(см. рис. 10, в).

	G		1−	Xт		+G		1+	b
	бт					обор
Ry =				A					A		,
						l

где А – колесная база погрузчика, А = 3,75 м;

b = Хт – расстояние по горизонтали от центра тяжести до передней точки опоры, b = 2,625 м;

l – расстояние от передней точки опоры до кромки ковша, l = 3,7 м.

Gбт – вес базового трактора, Gбт = 161,5 кН;

Gобор – вес погрузочного оборудования, Gобор = 44,3 кН.

		−	2,625		+44,3		+	2,625
	161,5 1		3,75			1		3,75
Ry =										=33,45 кН.
				3,7

Горизонтальная сила определяется по сцеплению с учетом вертикальной силы, направленной в этом положении вверх:

105

Rx =(Gп − Ry ) ϕ,

где ϕ – коэффициент сцепления движителей, ϕ = 0,6…0,8. Gп – вес погрузчика, Gп = 205,8 кН;

Ry – вертикальное усилие, кН.

Rx =(205,8 −33,45) 0,7 =120,6 кН.

11. Прочностной расчет элементов конструкции

11.1. Расчет ковша

При расчете ковша (рис. 12) рассматривается прочность козырька ковша и узла крепления бруса к стреле. Узел крепления ковша к стреле конструктивно состоит из кронштейна, привариваемого к брусу ковша, и пальцев, соединяющих кронштейн и стрелу. Прочность пальцев считается достаточной при одновременном выполнении двух условий: по касательным напряжениям на срез и по нормальным напряжениям на смятие. Тело кронштейна подвергается расчету на растяжение по усилиям, выводящим из строя пальцы узла крепления. В сварном соединении кронштейна и задней балки рассчитывается длина и катет сварного шва.

Рис. 12. Схема приложения нагрузок

106

= 44,3 кН.

Но поскольку ковш – это элемент, при расчете которого возникают значительные трудности, в основном при решении систем уравнений, описывающих деформации многократно статически неопределимых систем, то расчеты ведутся приближенно. В проекте рассчитывается козырек ковша, причем усилие Ry прикладывается к среднему зубу ковша (или к одному из средних зубьев при четном их числе) (рис. 13). Козырек рассматривается как балка на двух опорах.

В качестве вертикальной силы принимают усилие отпора, создаваемое при вывешивании базового шасси на задних колесах, передние шины не касаются опорной поверхности.

Вертикальное усилие, кН, определяют из условия равновесия (см. рис. 10, в).

G

1

−

Xт

+G

1

+

b

бт

обор

Ry =

A

A

,

l

где А – колесная база погрузчика, А = 3,75 м;

b = Хт – расстояние по горизонтали от центра тяжести до передней точки опоры, b = 2,625 м;

l – расстояние от передней точки опоры до кромки ковша, l = 3,7 м.

Gбт – вес базового трактора, Gбт = 161,5 кН;

Gобор – вес погрузочного оборудования, Gобор

		−	2,625			+	2,625
	161,5 1		3,75	+44,3	1		3,75
Ry =									=33,45 кН.
				3,7
В этой схеме реакции опор RA и RB:
	∑МА = 0: −Ry 1,55 + RB 3,1 = 0.
Отсюда
			R = 33,45 1,55 =16,72					кН.
			B	3,1

107

Тогда

RA =16,72 кН.

Определяем изгибающий момент при условии 0 ≤ z1 ≤ 1,55:

Mиз = –RA · z1,

Mиз1 = –16,72 · 1,55 = –25,91 кН·м,

Mиз = 0 = 0.

Рис. 13. Эпюра нагружения ковша

Максимальное напряжение от изгиба козырька σи, кН/м2, определяется зависимостью

М

1 R

B

3

Ry

σ

и

=

из

=

4

y

к

≈

,

Wк

1

S

2

2

S2

6 Bк′

где Миз – изгибающий момент, кН/м;

Wк – момент сопротивления козырька, кН/м; Вк – ширина ковша погрузчика, м;

Bк′ – ширина ковша за вычетом отверстий для крепления

зубьев, м;

S – толщина козырька, S = 0,0156 м;

Ry – вертикальное усилие, Ry = 33,45 кН. Принимаем для стали 20 [σВ] = 420 МПа ≥ σдоп.

108

σи = 32 0,015633,452 = 206176,035 кН/м2 = 206,176 МПа;

σи ≤[σВ ],

206,176 МПа ≤ 420 МПа,

или

σи = Миз ,

Wк

где Миз – изгибающий момент, Миз = 25,91 кН м;

Wк – момент сопротивления козырька изгибу, кН/м2;

Wк = Bк′ S 2/6,

где Bк′ – ширина ковша за вычетом отверстий под крепления

зубьев, м;

S – толщина козырька, S = 0,0156 м,

Bк′ = Вк −n d,

где n – число зубьев, n = 8;

d – диаметр отверстия, d = 0,04 м.

Bк′ =3,1−8 0,04 = 2,78 м,

Wк = 2,78 0,01562 /6 = 0,00011 кН/м,

σи = 0,0001125,91 = 235 545,45 кН/м2 = 235,545 МПа,

σи ≤[σВ ], 235,545 МПа ≤ 420 МПа.

Прочность козырька считается обеспеченной. В обоих случаях условие выполняется. Расчетное напряжение в козырьке не превышает допускаемых для выбранного материала.

109

11.2. Применение САПР SolidWorks для расчета рабочего оборудования фронтального погрузчика методом конечных элементов

SolidWorks – программный комплекс систем автоматического проектирования (САПР) для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Работает

всреде Microsoft Windows.

ВSolidWorks используется принцип трехмерного твердотельного и поверхностного параметрического проектирования, что позволяет конструктору создавать объемные детали и компоновать сборки в виде трехмерных электронных моделей, по которым создаются двухмерные чертежи и спецификации в соответствии с требованиями ЕСКД.

Трехмерное моделирование изделий имеет массу преимуществ перед традиционным двумерным проектированием, например: исключение ошибок собираемости изделия еще на этапе проектирования, создание по электронной модели детали управляющей программы для обработки на станке с ЧПУ.

Спомощью программы SolidWorks можно увидеть будущее изделие со всех сторон в объеме и придать ему реалистичное отображение в соответствии с выбранным материалом для предварительной оценки дизайна.

Трехмерная деталь SolidWorks получается в ре-

зультате комбинации трех-

Рис. 14. Рабочее оборудование	мерных примитивов. Боль-
110