книги / Строительная механика и металлоконструкции строительных и дорожных машин
..pdf7
Рис. 2.64. Металлоконструкция скрепера
Тяговая рама скрепера (рис. 2.64, в) сварная, П-образной формы; в передней части имеется стойка 8 с двумя проушинами для пальцев оси вертикального шкворня сцепного устройства машины и хобот, который представляет собой кривой брус коробчатого сечения. К поперечной бал ке 10 рамы приварены две тяги 11 коробчатого сечения и кронштейны 9 гидроцилиндров подъема ковша. Тяги имеют проушины 12 для шквор ней, соединяющих раму с ковшом скрепера.
Ковш скрепера (рис. 2.64, б) —сварной, состоит из двух боковых стенок 5, днища 6 и заднего буфера 7. Боковые стенки ковша изготовле ны из листовой стали с приваренными по определенным направлениям балками —коробками жесткости. Днище ковша состоит из основного листа, подножевой плиты и гнутых профилей, образующих с основным листом коробчатое секционное сечение. Крайняя коробчатая секция дни ща используется в качестве задней нижней связи боковых стенок, в которую упираются балки буфера. Буфер ковша представляет собой пространственную ферму, состоящую из балок коробчатого сечения.
Заслонка (см. рис. 2.64, а) выполнена из стального листа, к которо му приварены две изогнутые усиливающие накладки и боковые щеки. Рычаги заслонки имеют коробчатое сечение. На концах рычагов выполне-
ны проушины, при помощи которых заслонка крепится к боковым стен кам ковша. К рычагам в средней части приварены кронштейны для креп ления штоков гидроцилиндров подъема заслонки.
Задняя стенка (рис. 2.64,г) ковша представляет собой сварную кон струкцию и состоит из щита 13 и толкателя 14. Сзади щит усилен раско сами 15. Толкатель изготовлен из двух швеллеров, сваренных с помо щью накладок в брус коробчатого сечения. В средней части толкателя имеются два кронштейна 16 для крепления штоков гидроцилиндров вы движения задней стенки.
В процессе работы на машину действуют силы тяжести тягача и скре пера с грунтом G(значение и точка приложения этих нагрузок известны). На ноже ковша возникает сила сопротивления копанию или реактивная сила Р от упора в непреодолимое препятствие, которая в общем случае может быть направлена под произвольным углом а к горизонту (рис. 2.65, а). Ее находят из условия полной остановки скрепера при ре ализации тяговых возможностей. Обычно скреперы не обеспечивают пол ного заполнения ковша без дополнительного толкача (дополнительная толкающая сила Т) . На колесах тягача и скрепера действуют вертикаль ные реакции R\ и R 2, силы сопротивления перекатыванию и сила тяги Тх тягача скрепера, максимальное значение которой определяется по формуле Тх = R !<р, где —коэффициент сцепления шины тягача скрепе ра с опорной поверхностью.
Вертикальные реакции не проходят через ось колес, а смещены от носительно ее на величину, определяемую трением качения, однако из-за
Рис. 2.65. Схемы сил, действующих на скрепер и его элементы
ее малого значения смещением реакций можно пренебречь. Так как силы сопротивления перекатыванию малы по отношению к другим силам, ими тоже можно пренебречь.
Таким образом, неизвестными из внешних сил будут вертикальные реакции R х и R i , возникающие на передних и задних колесах, и сила Р на ноже ковша, которые определяются из уравнений согласно расчетной схемы (см. рис. 2.65, а) :
XX = 0; Р cos а - Тх - Т cos 0 = 0;
XY = 0; R t + R 2 + P sin a + Tsin0 - ( 7 = О;
XMA =0; Ga+ Г sin p b - R xl - 7\ (tg a-c- h ) -
- T cosj3(t$a-c-d)= 0,
откуда
* i |
Ga |
+ T[sin (3'b - cos 0 (tg at-c - d)\ |
|
|
||
= |
l + |
y> ( tg a • c —h) |
|
|
||
|
|
|
|
|||
R 2 =G |
Gay -ju . |
+■ J7, j(sina m pQ'b- t / —cos 0 (tg a-cb ~ |
d) ] |
4 |
||
|
/ + |
(tg of c — h) |
|
(1 + t g a - ^ ) - |
||
|
|
|
|
|
||
- T (cos P tg OL + |
sin /3); |
|
|
|||
p |
Ga+ |
Tlsin (3-b - cos 0 (tg a -c — d) J |
^ |
c o s /3 |
||
|
(l/ip + tg a -с —Л) cos a |
|
|
|||
При расчетах следует учитывать ограничение максимальной тяги скрепера по мощности N его двигателя:
Хт)
^1 шах ^ 1 шах ^ ^
vmin
откуда
R 1 шах
где 17 - КПД трансмиссии скрепера; vm^ - минимальная скорость движения скре пера на низшей передаче.
Силы, действующие непосредственно на раму, определяют из усло вия равновесия тягача (рис. 2.65, б). Влияние отброшенного скрепера заменяется реакциями/^, RK и /^действующими на тягач в седельном устройстве. Составляя уравнения суммы проекций на оси* и у сил и мо мента относительно точки К, получают
Л£. = [С м (Д1 + a2) - R l (fph1 + ai)]//»2;
Kg = [ ^ i <p(hx + h2) + R 2ai - ^ M(^i + a2)]/h2 ;■
FK = G* - R »
где GM - сила тяжести тягача.
Из условия равновесия ковша (рис. 2.65, в) при рассмотрении сум мы моментов относительно точки D крепление тяговой рамы к ковшу определяют силы в механизме подъема ковша:
2РЦ = - [ GK+ г/ |
+R2lz + P(h |
cos а - / |
sin а) + |
#ц |
г |
г |
|
+ T(lr sin /3 + лт cos /3 ) ], |
|
|
|
где Рц - сила на штоке гидроцилиндра подъема ковша; |
GK+г - сила тяжести ков |
||
ша с грунтом. |
|
|
|
Составляют расчетную схему тяговой рамы скрепера с учетом всех |
|||
сил, действующих на нее |
(рис. 2.65, г) , при этом реактивные силы в уп |
||
ряжных шарнирах рамы представляют в виде проекций на оси коорди
нат X , у , Z .
Составляющие реакций в упряжных шарнирах, перпендикулярные плоскости рамы, RBz и RDz в силу симметрии точек приложения дейст вующих нагрузок и симметрии рамы будут равны между собой:
Rgz —R[)z “ |
[ (ДЕ |
sin у “ Fg cos у ] + |
cos б |
Составляющие |
реакций |
упряжных шарниров |
в плоскости рамы |
Щ х>RQX»RВу> &Dy) определяют от действия сил, приведенных в плос кость рамы. В этом случае расчетная схема рамы (рис. 2.66, а) будет один раз статически неопределимой, и искомые неизвестные рассчиты вают методом сил (см п. 1.5.2). Реакция хобота рамы, действующая на поперечную балку (см. рис. 2.65, г и 2.66, а) :
R ' = (RE + RK) cos у + FK sin у
Составляющая силы на штоке цилиндра, подъема ковша, действую щая в плоскости рамы:
V =i>u sin5-
Хобот рамы рассчитывают как кривой брус на изгиб от действия си лы/?^, RE и Fk .
Поперечная балка рамы находится в сложно напряженном состоянии под действием крутящего момента (см. рис. 2.65, г)
а также изгибающих моментов в плоскостях ху и x z :
MH2=RDyll + RDxbl 2 ~ Pn ™ в ( 6 / 2 - М ;
Миx =RDzbl 2 ' Pn cos5(ft/2- M.
Упряжные тяги рассчитывают на изгиб в плоскостях zx и ху с учетом продольной силы RD X к RBx.
Ковш скрепера представляет собой оболочку незамкнутого профи-
Рис. 2.66. Расчетные схемы тяговой рамы скрепера, боковых ребер жесткости ковша и задней стенки ковша
ля. Его можно рассчитать на основе приближенных методов конечных элементов или конечных разностей (см. п. 1.7.2,1.73).
Возможен упрощенный расчет, основанный на принципе функцио нального деления элементов конструкции ковша, согласно которому пластинчатая конструкция ковша выполняет функции стенок, ограни чивающих объем набранного грунта от просыпания, и должна рассчиты ваться как бункерное устройство (см. п. 2.8.4).
Ребра жесткости конструкции остова ковша служат для передачи сил, развиваемых тягачом и толкачом, к ножу скрепера. В таком слу чае остов ковша рассчитывают как пространственную комбинирован ную балочно-рамную конструкцию.
Подножевую плиту представляют в виде балки, защемленной в мес тах приварки к боковым стенкам, и рассчитывают на изгиб от действия горизонтальной и вертикальной составляющих силы Р по формулам со противления материалов.
Буфер рассматривают как плоскую ферму, усилия в стержнях ко торой определяют любым известным методом (см. п. 13.1).
Верхние и нижние стержни буфера прикреплены к задним балкам ковша и нагружают их усилиями, равными усилиям в стержнях и дейст вующими по направлению стержня. Напряжения в задних балках опре деляют, рассматривая их как защемленные в местах приварки к боко вым стенкам. На прочность проверяют также сварные швы в местах крепления буфера к задним балкам и задних балок к боковым стенкам (см. п. 23.2).
Систему боковых ребер жесткости остова ковша представляют в ви де плоской рамной конструкции, воспринимающей нагрузки, приложен ные в плоскости рамы (рис. 2.66, б; Р3 и R 3 —соответственно реакции в местах крепления гидроцилиндра подъема заслонки и самой передней заслонки к ковшу; Si и S2 —силы в стержнях буфера). Из-за наличия двух замкнутых контуров расчетная схема рамы из боковых ребер жест
кости ковша будет 6 раз статически неопределима и расчет ее произво дится согласно рекомендаций гл. 1.3.
Заслонку скрепера рассчитывают по максимальной силе на. штоке ги дроцилиндра подъема заслонки, развиваемой в момент упора заслонки в твердый предмет при ее закрытии. Из суммы моментов относительно шарнира заслонки определяют силу на ее кромке. Из уравнений суммы проекций на оси находят составляющие реакции в шарнире. Опасные се чения —место приварки рычага гидроцилиндра к рычагу заслонки, сече ние рычага заслонки и место приварки рычага к заслонке. В этих сечени ях необходимо определить действующие моменты и проверить прочность сварных швов и металлоконструкции узла.
Заднюю стенку рассчитывают на прочность для случая ее заклинива ния (см. рис. 2.66, в) при упоре в непреодолимое препятствие А . Гидро цилиндр выдвижения развивает максимальное усилие Рцс, которое вос принимается направляющими роликами. Нагрузка на ролик
Р21 =Pncd/b; Рп~Ргх
Эта же сила действует на направляющую раму задней стенки. На прочность проверяют сечения направляющей рамы, место приварки ее. Проверяют также прочность щита.
Подводя итог, отметим, что для каждого конкретного места метал локонструкции скрепера существуют свои расчетные положения, харак теризующиеся наибольшим внутренним усилием. Поэтому при расчете необходимо находить расчетное положение, соответствующее рассма триваемому элементу конструкции. Так, например, расчетное положе ние при расчете сечения приварки подножевой плиты к боковым стен кам ковша определяется таким направлением линии действия силы Р (рис. 2.65, а), при котором достигается максимальное ее значение. При этом с учетом ограничения тягового усилия по мощности двигателя угол наклона линии действия силы Р к горизонту
Ga + Г (sin 0-b + |
cos p-d) + — - — { h -----— ) |
||
а = arctg |
|
vmin |
|
a ^ |
Nr\ |
||
frp |
|||
с (T cos 0 + |
----------- ) |
||
2.8.2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН С НАВЕСНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Металлоконструкции бульдозеров. На рис. 2.67, а представлена схе ма конструкции рабочего оборудования бульдозера ДЗ-110А, которое состоит из отвала 4, левого 1 и правого б толкающих брусьев, горизон тального 7, вертикального 5 раскосов и гидроцилиндров 3 подъема-опус кания и 2 перекоса отвала бульдозера. Левый толкающий брус 1 осна щен кронштейном, в котором расположен двойной цилиндрический шар нир 8 крепления горизонтального раскоса 7.
Согласно расчетной схеме рабочего оборудования бульдозера
Рис. 2.67. Рабочее оборудование бульдозера и его расчетная схема
(рис. 2.67, б) гидроцилиндры подъема-опускания и перекоса отвала и вертикальный раскос являются простыми стержнями с шаровыми опора ми на концах. Хвостовая часть толкающих брусьев присоединяется к ра ме трактора шаровыми шарнирами 1, 12. Передняя часть толкающих брусьев крепится к отвалу двойными цилиндрическими шарнирами 3, 9, позволяющими передней части брусьев и отвалу поворачиваться относи тельно друг друга вокруг осей х и z.
Горизонтальный раскос одним концом 11 присоединяется шаровым шарниром к правому толкающему брусу, а другим крепится к крон штейну левого бруса двойным цилиндрическим шарниром 7, позволяю щим горизонтальному раскосу и кронштейну поворачиваться относи тельно друг друга вокруг осей х и z.
Для кинематического анализа воспользуемся формулой (1.2). В рас сматриваемом случае i> = 4, т.е. как тела учитываются отвал, левый и правый толкающие брусья и горизонтальный раскос; Ш2ц = 3 —число двойных цилиндрических шарниров передней части толкающих брусьев и горизонтального раскоса, эквивалентных четырем элементарным свя зям; Шш = 3 - число сферических шарниров задней части толкающих брусьев и горизонтального раскоса, эквивалентных трем элементарным связям; С = 4 —число кинематических связей от гидроцилиндров подъе ма-опускания и перекоса отвала и вертикального раскоса, как простых стержней с шаровыми опорами на концах.
В результате имеем U = - 1, т.е. представленная расчетная схема об ладает одной лишней кинематической связью. Однако необходимо учи тывать, что штоковые и поршневые полости гидроцилиндров подъемаопускания отвала гидравлически связаны и одинаковы по размерам. Это условие выражается в виде дополнительного уравнения, определяющего равенство сил Р5 и Р6 на штоках гидроцилиндров, на основе равенства давлений в их полостях, т.е.
p s = p 6 = p 56. |
(2.149) |
247
Рис. 2.68. Силы, действующие вне плоскости системы
Для упрощения решения за дачи приложенную в произволь ной точке отвала равнодейству ющую силу Р переносят в точку 0 \ , расположенную на оси сим метрии отвала бульдозера в плоскости хОу толкающих брусьев и горизонтального рас коса. Система находится под действием проекций Рх, Ру, Р2, равнодействующей Р, прило женной в точке 0 1 , и момен
тов Мхп, Муп, М2П, учитывающих перенос равнодействующей сил из точ ки А (х, у, г) в точку Ох (Ь/2, /, 0):
М2П ~-1'у(х-ЪП') + ГхЬ - Ъ -
Учитывая равенство (2.149), из условия ЪМХ = 0 определим силы на штоках гидроцилиндров подъема-опускания рабочего оборудования (рис. 2.68):
D _ |
^ х п + ^б.оУц.м + |
• * 5 6 -------------------------------------------------------------- |
J |
|
2 (Z 56 sin а + у 96 cos а) |
где GQ 0 - |
сила тяжести бульдозерного оборудования; у ц>м - координата центра |
масс бульдозерного оборудования; z56 и y S6 - координаты точек крепления ги
дроцилиндров к отвалу.
Силы на штоках гидроцилиндров подъема-опускания рабочего обо рудования, приведенные в точку Ох, представим в виде ортогональных составляющих, действующих вне (Р£) и в плоскости (Ру ) системы (тол кающие брусья —горизонтальный раскос —отвал), и момента Мх отно сительно оси, параллельной оси х :
г) |
= |
МХЦ+ GQ0y Uj + Pz l |
Р |
cos а ; |
|
|
|
sin а + у и cos а |
D r |
= |
Мх п + G§ 0 ухц + Р2 1 |
Р |
---------------------------- sin а; |
|
у |
|
z M sin а + у §А cos а |
M ; = p ^ z 56 + p;(yS6- i ) .
Моменты относительно осей, проходящих через точку Ох и парал лельных осям у и z основной системы отсчета, в силу симметрии распо-
поженил гидроцилиндров относительно точки Ох и равенства (2.149) равны нулю.
Определим реакции в шарнирах 1 и 12 (см. рис. 2.67,6) от сил и мо ментов, действующих вне плоскости системы ’’толкающие брусья —го ризонтальный раскос —отвал”*Согласно расчетной схеме (см. рис. 2.68)
откуда
Здесь и далее индекс i при реакциях X, Yt Z и R означает, что реакция действует в узле /.
Для определения внутренних усилий от сил и моментов, приложен ных в плоскости рамы, рассмотрим расчетные схемы, представленные на рис. 2.69, а, б, в, г, и составим системы уравнений.
Уравнения равновесия отвала (рис. 2.69,6): 'LX = 0; 2 Y = 0; LM3 = 0,
т.е.
Х ъ + Х9 - Р х = 0;
Y i + Y i - P y - P j = 0 ;
Г9Ь - М г п - ( Р у + Р р Ы 2 = 0.
Из условия равновесия левого толкающего бруса (рис. 2.69, в) имеем 2ЛГ= 0; 2 Г = 0; 2М7 =0,т.е.
Х\ - Х 3 + R 7 sirup = 0;
У\ “ Y3 ~ R 7 C O S = 0 ;
(Y3'~ Yx)b7 + X xl7 + X3 ( / - / 7) = 0.
a )
Рис. 2.69. Силы, действующие в плоскости системы
9 - 5 5 5
Рис. 2.70. Силы, действующие в толкающих брусьях и отвале буль дозера
При рассмотрении равно весия правого бруса (рис. 2.69, г) получим ЪХ = 0; 2 У = 0; 2М ц = 0 , т.е.
Х \2 ~~Xi) ~ R ii sin ip = 0j У12 - У9 + Ли cosкр= 0;
( У 1 2 - ^ * 1 1 + ^12/2 +
+ ^ 9 ( / “ /2) = 0.
Из условия равновесия горизонтального раскоса R n = R п .
В итоге имеем систему из десяти уравнений, решение которой поз волит определить искомые десять неизвестных усилий: X lf Уь Х 3, У3', Л7, Л ,ь Х 9, У9', Х 12 и Уи . Недостающие неизвестные силы на штоке ги дроцилиндра перекоса отвала, вертикальном раскосе (Л2 = Л4 и Л8 = = Лю) и реакции У и Z в узлах 3 и 9 находят из рассмотрения равнове сия толкающих брусьев, находящихся под действием сил, указанных на рис. 2.70.
Для левого бруса 2Z = 0 , 2 У = 0 ,2 М3х = 0 (рис. 2.70, а) : Zi + Z3 + R2 sin/3i = 0;
Yx + У3 + Л2 cosj31(“ Л 7 cos</> = 0;
- Z xl - R 2 sin Pi ( l - h ) ~ R 2a cos 0i =0.
Для правого бруса 2Z = 0 , 2 У= 0, 2A/9JC = 0 (рис. 2.70, б ):
Z 12 + Z9 + Л 10 sin p2 = 0;
Уi2 + У9 + Л 10 cos/32 + Л ц cos<^ = 0;
- Z l2I - R 10(/ “ /J ) sin /32 ~Л ioя cos /32 - 0.
Совместное решение полученных уравнений позволит определить не достающие неизвестные.