Построение расчетных схем для определения нагрузки на соединительных отверстиях рабочего органа экскаватора

При конструировании обратной лопаты с гидравлическим приводом производится общий расчет, и необходимо учитывать, что они обычно работают в тяжелых условиях рассредоточенного строительства, бездорожья, с большими динамическими нагрузками. При этом нарушается регулирование, изменяются зазоры сопряжений, ослабевает крепление деталей, вследствие чего теряется точность выполнения операций, снижается производительность. Например в работах авторов [1,2] приведены расчеты главных рабочих механизмов, подъемного и напорного механизмов машины, статический расчет. Соответственно в основном определяются условия устойчивости экскаватора и давления на грунт при копании, повороте и передвижении, а также условия уравновешивания поворотной платформы.

Ниже рассматривается  методика расчета определения динамической нагрузки на соединительных узлах, которая учитывает все выше перечисленные недостатки, учитывая работу экскаватора в тяжелых  условиях данный метод является оптимальным способом.

Динамические усилия, возникающие в машинах или сооружениях, рассматриваются как результат совместного воздействия динамик внешней нагрузки, элементов конструкции и материала.

Под динамикой внешней нагрузки понимается закон изменения внешних усилий на элементы конструкции машины или сооружения во времени [1].

А при работе обратной лопатой наибольший интерес вызывает  динамические нагрузки в тяговых канатах. Динамические нагрузки стрелы испытывают особенно при массовых перегрузочных работах.  Во время разгона и торможения, когда происходит подъем и опускание груза в канатах и стреле возникают динамические нагрузки. Нагрузки механизма тяги практически идентичны нагрузкам механизма подъема лопаты. Однако вследствие значительной большей жесткости элементов рабочего оборудования (стрелы и рукояти) по сравнению с жесткостью канатов расчет динамических нагрузок в тяговых канатах можно свести к расчетным системам с двумя и одной степенью свободы, которые подобны расчетным системам для канатов подъема рабочего оборудования прямой лопаты.

На рабочие органы, механизмы одноковшовых экскаваторов и металлоконструкции действуют нагрузки, изменяющиеся в широких пределах в течение рабочего цикла. Для определения мощности, затрачиваемой на работу отдельных механизмов, необходимо знать сопротивления, возникающие при выполнении отдельных операции.

Основные нагрузки в элементах машин возникают при копании грунта. Общую силу сопротивления грунта к копанию Р_коп по отношению к направлению движения ковша можно разложить на касательную Р_к и нормальную составляющие Р_н (рис 1) [2].

Рисунок 1 – Схема сопротивлений, действующих на ковш

Составляющие Р_к и Р_н реакции грунта на ковш R₀,  вес узлов экскаватора и реакции грунта, действующие ходовое оборудование, являются внешними силами, действующими на экскаватор. Они служат исходными данными для определения нагрузок на элементах рабочего оборудования, механизмов, потребной мощности привода и устойчивости экскаватора.

Копать грунт обратной лопатой гидравлического экскаватора можно поворотом рукояти, как предусмотрено у механического экскаватора, поворотом ковша или совмещенными движениями рукояти и ковша.

Возможности обратной лопаты гидравлического экскаватора определяют аналогично механического экскаватора: по схеме представленной на рис. 2. При этом исходя из усилия Р_ц.р. цилиндра рукояти, определяют возможное усилие копания Р_к для положений ковша I-VI.

Рисунок  2 – Схема усилий, действующих на оборудование обратной лопаты при копании поворотом рукояти

Рассмотрим процесс копания поворотом ковша. Схема усилий, действующих на ковш, показана на рисунке 2. Усилие гидроцилиндра поворота ковша Р_ц.к. определяют по формуле:

где  – давление в гидроцилиндре.

Касательное усилие на режущей кромке ковша

где  – плечо действия силы  относительно оси Б поворота ковша;

- расстояние режущей кромки от оси Б;

 – сила тяжести ковша с грунтом;

 – плечо действия силы тяжести относительно оси Б.

Реактивное усилие в гидроцилиндре поворота ковша  с запасом в большую сторону определяют из предположения, что нормальное усилие = 0.

где  – радиус окружности, описываемой режущей кромкой ковша по отношению к оси Б его поворота;

 - – плечо действия силы тяжести ковша и грунта по отношению к оси Б;

 – плечо действия реактивной силы  гидроцилиндра поворота ковша.

Реактивное давление в гидроцилиндре поворота ковша

 где  – диаметр гидроцилиндра ковша.

Реактивное усилие в гидроцилиндре поворота стрелы при копании поворотом рукояти равно

где  – усилие копания;  – плечо действия силы  относительно оси В поворота стрелы;  – нормальная составляющая усилия копания на режущей кромке ковша, принимаемая с запасом; ;  – масса стрелы и рукояти; - плечо действия силы  относительно оси В;  – плечи действия сил веса ковша с грунтом, рукояти и стрелы относительно оси В;  – плечо действия усилия цилиндра стрелы относительно оси В.

Реактивное давление в гидроцилиндре поворота стрелы

где  - диаметр гидроцилиндра стрелы.

Зная центр масс; реактивные усилия в гидроцилиндрах ковша, рукояти и стрелы; наибольшее усилие в одной точке и положение ковша и рукояти, определяем нагрузку на отверстие соединения рукояти и стрелы. Для этого отдельно рассмотрим ковш и рукоятку,  разделив их от стрелы (рис. 3) и построим силовой многоугольник для определения окончательных элементов.

Рисунок 3 – Схема сил для определения нагрузки в точке В

По принципу Деламбера можно записать:

Соответствующими значениями строим силовой многоугольник (рис. 4) для определения окончательных элементов.

Рисунок 4 - Силовой многоугольник

После построения плана сил можно будет найти значения неизвестных ,  и .

После найденных неизвестных элементов можно сделать вывод, что нагрузки на проушинах отверстия стрел возникают из силы тяжести рукояти G_р, массы ковша с грунтом, а также инерционных сил, вызванные началом поворота или торможения поворотной платформы.

Литература

1. Волков Д.П. Динамические нагрузки в универсальных экскаваторах-кранах М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

2  Гаркави Н.Г., Аринченков В.И., В.В.Карпов, З.Е.Гарбузов, А.И.Батулов, В.М.Донской. Машины для земляных работ. М.: Высш. школа, 1982. – 335с.