Расчет автогрейдеров
Министерство высшего и среднего
специального образования РФ
ИРКУТСКИЙ ГОССУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
АВТОГРЕЙДЕРЫ
Методические указания к курсовому и дипломному проектированию.
Иркутск 1986г.
Авторгрейдеры. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 0511. Составили Б.М. Мейеров. –Иркутск, 1986.-
Приводятся основные расчетные зависимости для общего расчета автогрейдера и его конструктивных элементов. Предназначено для студентов автомеханических специальностей
Ил. 10 Табл. 4.
Рецензент гл. механик треста Строймеханизация С.Л. Тереньтьев.
Курсовое проектирование является одним из этапов обучения в вузе и имеет цели: закрепить теоретические знания, углубить изучения вопроса проектирования СДМ и развить расчетно –графические навыки студента.
Курсовой проект по курсу “Машины для земляных работ” является продолжением темы проектирования машины, начатой в курсе подъемно – транспортных машин. Основное внимание в нем уделяется проектированию непосредственно рабочего органа машины. Курсовой проект разрабатывается в соответствии с заданием на курсовое проектирование, выдаваемым руководителем.
Данные методические указания являются дополнением к “ Общим вопросам проектирования самоходных ЗТМ”, методическим материалом, необходимым при выполнении курсового проекта на тему “Автогрейдер”.
Состав проекта.
- Задание на проектирование.
Задание на проектирование является основным документом при работе над проектом. Оно составляется руководителем проекта на специальном бланке и выдается студенту в начале проектирования. В задании указываются фамилия студента, тема проекта, исходные данные, а так же перечень вопросов, подлежащих дополнительной разработке к типовому содержанию проекта.
- Содержание пояснительной записки.
В состав пояснительной записки входит:
введение- описывается назначение машины, обосновывается цель работы;
описание и обоснование
обслуживание и эксплуатация авторгейдера;
охрана труда – отражаются особенности, характерные для автогрейдера, и принятые проектном решения для улучшения охраны труда;
ожидаемые технико – экономические показатели – приводятся в виде таблицы.
Расчеты:
Общий расчет:
определение основных параметров;
выбор шин;
определение сил, действующих на автогрейдер;
определение сил сопротивления движению автогрейдера;
тяговый расчет;
расчет производительности.
Расчет рабочего оборудования:
расчет отвала;
расчет кирковщика;
расчет механизмов управления;
расчет “узла инициативы”.
Технико – экономический расчет.
- Графическая часть.
Лист первый (общий вид автогрейдера) – содержит эскизную компоновку машины в транспортном положении без разводки гидролиний. Приводятся разрезы, показывающие, как присоединены рабочие органы, а так же крайние положения рабочих органов. Допускается вид сверху показывать частично. На общем виде приводится техническая характеристика автогрйедера.
Лист второй- выполняется рабочее оборудование по основным частям, например, отвал, тяговая рама и поворотный круг. Чертежи тяговой рамы и поворотного круга вычерчиваются в сборе со всеми необходимыми разрезами. Комплектующими изделиями( подвесыми плитами, зубчатыми гребенками, зубъями кирковщика и т.д.), но без элементов гидросистемы. Должны быть показаны посадки, все габаритные и присоединительные размеры. Тонкими линиями показываются сопряженные узлы и детали.
Отвал показывают как сварное изделие без комплектующих деталей с обозначением всех выполняемых сварных швов.
Лист третий – “узел инициативы”.
Лист четвертый - наиболее характерные детали “узла инициативы”, (2-4 детали) и гидравлическая схема.
- Определение основных параметров автогрейдера.
- Масса автогрейдера
Масса автогрейдера является важнейшим параметром, определяющим его тягово- сцепные свойства, а следовательно, и производительность. Сила тяжести автогрейдера G(кН) определяется по следующей формуле:
где m-коэффициент, учитывающий неравномерность сечения стружки (m=1,25-1,35); S- площадь поперечного сечения кювета, м2; при внутреннем (1:3) и наружном(1:1,5) откосах кювета S=2,25 h2 (h- глубина кювета, м –по заданию); Kк- коэффициент удельного сопротивления грунта копанию, Kк=200-240 кПа( большие значения для средних и тяжелых автогрейдеров); ξ0- коэффициент сцепной силы тяжести автогрейдера( принимается по таблице 1); φ- коэффициент сцепления шин пневмоколесного движителя с поверхностью качения( принимается φ=0,70); n- число проходов по вырезанию грунта из кювета ( по заданию).
Определив силу тяжести автогрейдера, определяют его остальные основные параметры, но прежде необходимо принять значения углов установки отвала.
- Углы установки отвала.
Геометрические элементы и углы установки отвала находятся между собой в определенной зависимости (рис.1):
где δ- угол резания;ω- центральный угол профиля отвала;ψ- угол опрокидывания, значение его должно быть равно или меньше угла естественного откоса грунта ( принимается 35-45˚).
Значение угла резания находится в пределах 30-70˚ (обычно 30-45˚). Перестановки угла обычно возможны через 3-5˚. С уменьшением угла резания резко снижается усилие резания, с увеличением- улучшаются условия дробления и разрыхления стружки грунта, что необходимо при перемешивании грунтов. Так как δ=β+α, то принимая значения углов β и α, определяют наименьшую величину угла резания. Здесь β- угол заточки ножа. Определяется условиями прочности и износа, в связи с чем его значение равно 25-27˚; α- задний угол, минимальное значение его принимается в пределах 5-7˚.
Рис.1. Поперечный профиль отвала.
Величена угла захвата φ определяется технологическими требованиями. При расчетах она принимается равной 30-40˚.
При работе автогрейдера происходит перемещение грунта вдоль отвала. При этом возникает сила трения, задерживающая это перемещение. Угол между теоретическими и фактическими направлениями перемещения частицы, грунта, учитывающий его задержку, называется углом трения ρ. Его величена составляет 22-30˚.
- Определение размеров отвала.
Основными размерами отвала являются высота, радиус кривой и его длина.
Высота отвала Н0 определяется из условия равенства объема валика грунта. Поступающего на отвал при перемещении, объему, который может разместиться перед отвалом в виде призмы волочения. Высота отвала ( м) определяется по формул
где G- сила тяжести автогрейдера, кН.
Найдя значения высоты отвала Н0, определяют радиус кривой его контура
Сохраняя значения углов φ, ρ,ψ теми же. Что и при определении Н0. Определяем длину отвала
где G- сила тяжести автогрейдера, кН.
Полученные значения величин Н0 и В0 сравниваются с данными прототипа. При расхождении более чем на 15% в расчет принимаются данные прототипа.
- Выбор шин.
Ходовое оборудование автогрейдера должно обеспечивать создание устойчивого тягового усилия, иметь небольшое сопротивление перекатыванию и хорошо приспосабливаться к неровностям местности. Для автогрейдеров применяют шины низкого давления или шины с регулируемым давлением. Шины выбираются по нагрузкам, приходящимся на колеса(тадл.1,2,3). Нагрузка, приходящаяся на одно колесо переднего моста, определяется по формуле
Оставшийся вес приходится на колеса заднего моста. Нагрузка на заднее колесо для схем 1*1*2 и 1*2*2
для схем 1*2*3 и 1*3*3
Таблица 1
Значение ξ0 при колесной схеме | |||
1*3*3 |
1*2*3 |
1*2*2 |
1*1*2 |
0,67 |
0,75 |
0,55 |
0,75 |
Таблица 2
Сила тяжести автогрейдера, кН |
Маркировка шин |
80-100 |
14,00-20 до 16,00-20 |
100-140 |
16,00-20 до 16,00-24 |
140-180 |
16,00-24 до 18,00-24 |
Таблица 3
Параметры шин |
Маркировка шин | ||||
14,00-20 |
16,00-20 |
16,00-24 |
18,00-24 |
18,00-24 | |
Норма слойности |
10 |
8 |
12 |
10 |
16 |
Наружный диаметр, мм |
1250 |
1390 |
1460 |
1600 |
1594 |
Статистический радиус под нагрузкой, мм |
577 |
635 |
635 |
690 |
730 |
Грузоподъемность шины, кН |
23,00 |
19,00 |
30,00 |
35,00 |
55.00 |
Давление нормальное, кПа |
310 |
196 |
196 |
147 |
274 |
Масса, кг |
95,4 |
117 |
145 |
180 |
215 |
- Определение ширины колеи автогрейдера.
Как и все остальные параметры автогрйедера ширину колеи( рис.2) выбирают такой, чтобы машина имела наименьшие размеры. Малая ширина колеи ухудшает устойчивость автогрейдера. Поэтому ширина колеи определяется при вырезании стружки с наибольшей шириной захвата и при условии, что колеса автогрейдера идут по краям кювета. В курсовом проекте ширина колеи В(м) определяется по формуле
где φопт- оптимальный угол захвата при вырезании кювета, φопт=35˚; Вш- ширина профиля шины, м
Полученное значение ширины колеи сравнивают с данными прототипа. При расхождении более 15% в расчет принимаются данные прототипа.
Рис. 2. Схема к определению базы автогрейдера
- Определение размера базы автогрейдера.
Минимальный размер базы L определяется возможностью полного поворота отвала между колесами автогрейдера. При этом учитывают следующее: чем ближе размещен отвал к задней оси машины, тем лучше планирующая способность автогрейдера( рис. 3)
Рис. 3. Схема конструктивных параметров автогрейдера
Для двухосного автогрейдера размер базы (м) с учетом необходимого зазора
где Дш- наружный диаметр шины, м; Δ- зазор между отвалом и шиной (Δ=0,050 м).
Для трехосного автогрейдера база составляет
Полученное значение базы автогрейдера L сопоставляется с данными прототипа. При расхождении более 15% в расчет принимаются данные прототипа.
- Определение сил, действующих на автогрейдер
Определение сил, действующих на автогрейдер со всеми ведущими колесами.
На автогрейдер при прямолинейн
Рис. 4. Схема сил действующих на автогрейдер с коесной формулой 1*3*3
При определении этих усилий делают следующие допущения:
2.Величины а1, а2, а=равны 0.
Нормальные реакции грунта и номинальная сила тяги определяются по следующим формулам ( колесная формула 1*3*3):
Номинальная сила тяги, расходуемая на копание:
е=0-0,37 м при G=70-180 кН.
Определение R1 мах и R2 мах, необходимых при использовании в расчетах на прочность, производится для случая выглубления отвала при реализации максимальных тяговых качеств. При этом сила Р2 будет направлена вниз, а ρ=0,10-0,15.
где hр- глубина резания грунта отвалом автогрейдера, м(hр=0,15 Н);
3.2 Определение сил, действующих на автогрейдер с задними ведущими колесами
Схема сил, действующих на автогрейдер, приведена на рис.5.
Нормальные реакции грунта и номинальная сила тяги, возникающие при копании грунта, определяются как
Рис.5.Схема сил, действующих на автогрейдер с колесной формулой 1*2*3
- Определение сил сопротивлению движению автогрейдера
В состав силы сопротивления грунт копанию Ркоп входят следующие силы сопротивления(кН):
Сила сопротивления грунта резанию
где Кг- коэффициент удельного сопротивления грунта резанию, кПа (Кг=150-200 кПа); Sг- проекция площади стружки на плоскость, перпендикулярную к направлению движения автогрейдера, м2.
Сила трения ножа о грунт
где μ2- коэффициент трения грунта по стали ρ=Р1/Р2( принимается ρ=0,15-0,20);
сила сопротивления
где μ1- коэффициент трения грунта по грунту; Gп- сила тяжести призмы грунта, кН; приближенное значение силы тяжести максимальной призмы волочения грунта
где ρг- плотность грунта, кг/м3, Н0- высота отвала, м; кр- коэффициент разрыхления грунта; ε=35-400- угол естественного откоса грунта;
Сила сопротивления трению грунта при движении вверх по отвалу
где δ=30-800 –угол резания;
сила сопротивления трению призмы волочения грунта пр ее перемещении вдоль по отвалу
Сила сопротивления копанию грунта
Сила сопротивления подъему автогрейдера
где ΣR- суммарная нормальная реакция грунта на все колеса автогрейдера; αп- угол подъема (принимается αп=0 для случая максимального сопротивления копанию).
Сила сопротивлению качению колес
где f- коэффициент сопротивлению качения колес.
Суммарная сила сопротивления при равномерном движении автогрейдера на тяговом режим составит:
- Тяговый расчет автогрейдера
- Выбор двигателя
У автогрейдеров преобладающим режимом работы является тяговый, поэтому тяговый расчет автогрейдера заключается в определении его параметров на тяговом режиме работы.
Мощность двигателя Nе мах( кВт) определяется на первой рабочей передачи, при этом скорость передвижения автогрейдера принимается Uр1=0,9-1,4 м/с (3,2-5,0 км/ч):
где G-сила тяжести автогрейдера, кН; ηм- КПД механической трансмиссии(ηм=0,85-0.88); квых-коэффициент, учитывающий снижение мощности двигателя на тяжелых операциях цикла(квых=0,85-0,90); к0- коэффициент, учитывающий расход мощности на привод вспомогательных механизмов, табл.4.( к0=0,85).
По величине Nе мах подбирают двигатель.
Таблица 4.
Техническая характеристика гидропривода и механизмов управления автогрейдеров
Марка |
Параметры автогрейдера |
Параметры гидропривода |
Β=Nг/Nе | |||||
|
Двигатель |
Отвал |
|||||||
Марка |
Мощность, кВт |
Длина |
Высота |
Марка |
Мощность, кВт |
Давление, мПа | ||
ДЗ-31 |
АМ-01 |
95,56 |
3,66 |
0,6 |
НШ-10 НШ-46 |
2,203 9,2 |
7,0 7,5 |
0,15 0,17 |
Д-597Б |
СМД-14А |
55,2 |
3,04 |
0,5 |
НШ-10 НШ-67 |
2,203 16,132 |
7,0 10,0 |
0,10 |
ДЗ-99А |
АМ-41 |
66,24 |
3,04 |
0,5 |
НШ-46 НШ-10 |
2,203 16,132 |
7,0 10,0 |
0,10 |
ДЗ-98 |
У1Д6-250 |
183,8 |
3,7 |
0,7 |
НШ-46 |
9,2 |
7,0 |
|
- Построение тяговой характерист
ики автогрейдера
Последовательность и основные формулы, необходимые для построения тяговой характеристики приведены в[1]. Здесь же описываются некоторые особенности построения тяговой характеристики автогрейдера.
После построения кривой буксования, регуляторной характеристики с учетом отбора мощности на привод вспомогательных механизмов( рис. 6) и определения начала координат окружной силы Рк точки О1 следует построить зависимость крутящего момента двигателя Ме св и окружной силы Рк. Для этого по оси абцисс откладывают значения номинальной силы тяги Т н. Проведя вертикаль через точку а7 и горизонталь через точку а2, получают точку их пересечения а3. Соединив полученную точку а3 с точкой начала координат окружной силы колесного движителя О1, получают луч Рк.
Рис.6. Схема сил для расчета отвала
Для луча Рк. передаточное число на первой передачи автогрейдера
где rс- силовой радиус, м; Мен.св.- номинальный свободный крутящий момент двигателя.
Тогда новое уточнение значение расчетной скорости (м/с) на первой передаче составит
где nен – номинальная частота вращения коленвала, с-1.
Условием для нормальной работы автогрейдера является остановка его при тяговой перегрузки в случае буксования ведущих колес.
При этом должно соблюдаться условие
где Тм- сила тяги колесного движителя при максимальном крутящем моменте, который определяется следующим образом. Через точку а4 проводятся горизонталь до пересечения с лучом Рк и отпускается вертикаль. Если окажется, что это условие не соблюдается, то передаточное число определяют по формуле
При уточненном значении ip1 снова определяют U p1.
При выполнении легких работ целесообразно применять более высокие рабочие передачи. Для этого необходимо определить минимальное значение силы тяги
Значение передаточного числа на высшей рабочей передаче
Тогда значение высшей расчетной рабочей скорости движения автогрейдера (м/с)
Подбор передаточных чисел и определение скоростей движения автогрейдера производится по закону геометрической прогрессии, знаменатель которой
где n-число передач на рабочем режиме( принимается n=3-4).
Значение скоростей движения (м/с) автогрейдера
Для работы в транспортном режиме на автогрейдере предусматривается редуктор, передаточное число которого составляет
где Uтр.мах- максимальная расчетная транспортная скорость автогрейдера, Uтр.мах=8,9-13,6 м/с(32-50 км/ч).
Для нормальной работы автогрейдера на транспортном режиме должно соблюдаться условие
где Nмах- мощность двигателя, потребная для движения автогрейдера на максимальной транспортной скорости;
здесь кω- коэффициент обтекаемости (кω=0,6-0,7 Н×с2/м4);
F- площадь лобового сопротивления м2, находится как произведение ширины колеи на его высоту.
Если условие (1) не выполняется, значение Uр.мах следует брать на 5% меньше и снова определять Nмах, iр.
- Расчет производительности автогрейдера.
Эксплуатационная
где L-длина участка насыпи, м( принимается L=1000 м); F- площадь поперечного сечения насыпи, м2, равна двум площадям заданного кювета с учетом разрыхления грунта; Кв=0,75-0,90- коэффициент использования рабочего времени; Тц- продолжительность времени рабочего цикла, мин;
Здесь nк,nп,nр- число проходов (за один проход принимаются проходы вперед и назад) при копании. Перемещени призмы волочения и отделке земляного полотна; tр- время, затрачиваемое на разворот автогрейдера(tр=5-6 мин); Ug1,Ugв- средние действительные скорости движения автогрейдера на первой и высшей передачах, м/с.
Число проходов nк определяется следующим образом:
где кпп =1,15- коэффициент перекрытия проходов при перемещении грунта; l0- среднее потребное перемещение грунта, м(l0=3 м); lп- перемещение грунта за один проход, м(lп=1,6-3,1 м).
Число проходов nо ориентировочно принимается 6-10 (тяжелые легкие автогрейдеры).
Значения скоростей Ug1,Ugв при номинальной силе тяги
где δ1, δВ- величена буксования на первой и высшей передачи рабочей передачи(δ1,-20% δВ-5%).
- Расчет рабочего оборудования автогрейдера
- Определение действующих сил.
Схема нагружения автогрейдера при расчете тяговой рамы показаны на рис.7. На конец режущей кромке “O” ножа отвала действуют усилия Рк, Ру и Рz . На автогрейдер действуют боковые реакции Y1,Y 2 и нормальные реакции грунта R1, R2 определенные ранее.
Рис.7. Схема для расчета кирковщика: а-кронштейн; б-зуб; в- поперечная балка
Величена P2 (кН) составляет
где φмах- максимальный коэффициент сцепления для выбранного давления воздуха в шинах, принимается по рекомендациям (1); Рн – равнодействующая сил инерции, кН;
Здесь Кg- коэффициент динамичности (Кg=1,2-1,5).
Величина Рх (кН) определяется как
- Расчет отвала.
Расчет отвала можно производить, рассматривая случай нагружения его максимальной
реакцией грунта Рх, приложенной на конце отвала, находящегося в положении наибольшего выноса в сторону относительно кронштейнов(см рис. 6). При этом считают, что сила Рк –действует по оси симметрично отвалу, изгибая его в горизонтальной плоскости, и пренебрегают напряжениями, возникающими в нем от кручения. Таким образом, расчет отвала сводится к расчету его на изгиб как консоли.
Изгибающий момент в опасном сечении 1-1
где l0- длина консольного конца отвала при его максимальном смещении относительно кронштейнов.
Под действием силы Рк в волокнах правой части сечения( т.е. расположенной слева от нейтральной линии 0-0) возникнут напряжения растяжения, а в волокнах левой части сечения- напряжения сжатия.
Для определения моментов сопротивления зоны растяжения сечения Wр и зоны сжатия Wсж необходимо определить расположение центральной линии О-О сечения. Оно определяется расстоянием а и в от нейтральной линии до крайних точек сечения:
где R0- средний радиус кривизны сечения отвала; α- центральный угол дуги отвала, рад.
Момент инерции сечения 1-1
где δ- толщина отвала.
Тогда моменты сопротивления зон растяжения и сжатия сечения определяются по формулам
а нормальные напряжения в волокнах будут следующими:
в растянутых
в сжатых
Получение напряжения необходимо сравнить с допускаемыми и убедиться, что они не превышают последних.
- Расчет кирковщика.
При расчете кирковщика в качестве расчетного принимают такое его положение, когда он заглублен в грунт и сила тяги воспринимается средним зубом ( или двумя средними при пятизубом кирковщика). Расчету на прочность подвергаются кронштейн кирковщика, поперечная балкаи зубья.
Кронштейн при указанном выше допущении рассчитывают на передачу полного тягового усилия . На рис.7 показана наиболее часто встречающихся схема кирковщика и указаны действующие на него силы. Величины реакций в кронштейны кирковщика определяются из выражений
Максимальные напряжения на стержне кронштейна О-О возникают в сечении, проходящим через точку С:
где W и F – соответственно момент сопротивления и площадь поперечного сечения стержня.
Зуб кирковщика находится под
изгибающим воздействием горизонтальной
составляющей реакции грунта Рх,
принимаемой равной максимальной силе
и вертикальной составляющей РZ.
Последняя определяется как
где β- угол наклона режущей грани зуба.
Изгибающий момент в опасном сечении 1-1
Момент сопротивления сечения
Напряжения в сечении
Таким же образом подсчитывается напряжение в сечении 2-2.
Расчетные величины напряжений не должны превышать допускаемого.
При расчете поперечной балки кирковщика ее условие рассматривают как прямую. Балка подвергается воздействию изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях и крутящего момента. Моменты возникают от сил Рх и РZ, приложенных к среднему зубу.
Опасным является сечение 3-3:
Под действием этих нагрузок сечении 3-3 возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения
где WZ и WX – моменты сопротивления сечения изгибу относительно осей Z и X:
Касательные напряжения
где Wкр- момент сопротивления сечения кручению.
Для тонкостенного профиля сечения, имеющего место в данном случае, величена Wкр составляет
где F0- площадь, заключенная внутри средней линии профиля сечения.
Для прямоугольного сечения
Тогда
Определение максимального напряжения и проверка прочности сечения производится по формуле
8. Расчет механизмов управления
- Механизм подъема отвала.
В современных конструкциях автогрейдеров
механизм подъема отвала выполняется
с передачей вертикального
При определении подъемного усилия Sn в качестве расчетного принимают положение, при котором производится подъем заглубленного одним концом отвала, расположенного перпендикулярно продольной оси автогрейдера. На отвал действуют вертикальная составляющая реакции грунта РZ, препятствующая его подъему, и горизонтальная составляющая РX величины которых соответствуют найденным по формулам(2) и (3). Величена силы Sn составила (рис. 8)где
где Gтр – сила тяжести тяговой рамы, поворотного круга и отвала с грунтом, сосредоточенная в центре тяжести системы.
Рис. 8. Схема сил для определения подъемного усилия в механизме подъема отвала
Обычно скорость вертикального перемещения отвала назначают исходя из времени, потребного для своевременного его выглубления и предупреждающего перегрузку двигателя, в пределах 0,15-0,18 м/с. При использовании автоматических устройств, обеспечивающих выдерживая профиля дороги, скорость подъема отвала может быть повышена. Однако, если эта скорость превышает 0,2 м/с, при расчете подъемного усилия должны быть дополнительно учтены инерционные силы, возникающие в момент подъема отвала. Учет этих сил производится с помощью коэффициента динамичности.