Модернизация автогрейдера ДЗ-143

     Положение  автогрейдера и тяговой рамы, соответствующее этому случаю  изображено на рисунке 3.2, на  котором обозначено:

     О – конец  режущей кромки ножа отвала;

     О₁ и О₂ – проекции середины балансира на опорную поверхность;

     О₃ и О₄ – точки контакта передних колес автогрейдера с опорной поверхностью;

     С_а – центр тяжести автогрейдера;

     С_m – точка приложения силы тяжести тяговой рамы;

     G₁ и G₂ – силы тяжести автогрейдера, приходящиеся на его передний и задний мосты соответственно;

     G_тр – сила тяжести тяговой рамы;

     Р_и – равнодействующая сил инерции приложенная в центре тяжести машины;

     R_x – горизонтальное усилие на конце режущей кромки отвала ( точка О);

     R_y – боковое усилие в точке О;

     R_z – вертикальное усилие в точке О;

     Z₁ , Z₂ , Z ₃, Z₄ – вертикальные реакции;

     X₁, X₂ – силы тяги;

     Y₁, Y₂ – боковые усилия, действующие на переднем и заднем мостах автогрейдера соответственно.

     Принимаем,  что боковая реакция, действующая  на задний мост (ось О₁О₂ ), равна нулю, то есть все сцепление идет только на создание силы тяги. Боковая реакция, действующая на передний мост, возникает от эксцентричного приложения сил сопротивления на отвал.

     Далее произведем  расчеты указанных сопротивлений  и усилий / 14 /.

     Определяем  вертикальное усилие, возникающее  на конце режущей кромки ножа  отвала

                                             G₂ × φ + Р_и + G_тр    

               R_z =    –––––––––––––––––––––––––––––––––––                     

                        [ 1 + f₁/ ( ctg δ – f₁ × tg δ )] – ( L – l₁) × φ / L  

 

где   G₂ – сила тяжести автогрейдера, приходящаяся на его задний мост, кН;

         φ – коэффициент использования  сцепного веса автогрейдера;

         Р_и – равнодействующая сил инерции, кН;

         G_тр – сила тяжести тяговой рамы, кН;

         f₁ – коэффициент трения грунта о сталь;

         δ – угол резания ножа отвала, град.;

         L – колесная база машины, м;

         l₁ – положение кромки отвала, м.

φ = 0,75 / 14 /;   f₁ = 0,75 / 14 /.

               Р_и = ( к_д – 1 ) × φ× G₂ ,                                                                  

где   к_д – коэффициент динамичности,  к_д = 1,5 / 14 /.

               Р_и = ( 1,5 – 1 ) × 0,75 × 96 = 36 кН.

 

                                         96 × 0,75 + 36 + 14                                                

     R_z = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 15,43 кН.

[ 1 + 0,75/ ( ctg 45 – 0,75 × tg 45 )] – ( 5,84 – 5,61) × 0,75 / 5,84)

 

     Определяем  горизонтальное усилие, возникающее  на кромке ножа отвала

               R_x = ( G₂ + R_z × ( L – l₁ / L )) × φ + Р_и – G_тр × f₁                          

               R_x = ( 96 + 15,43 × ( 5,84 – 5,61 / 5,84 )) × 0,75 + 36 – 14 × 0,75 =

               = 177,97 кН.

     Определяем  боковое усилие, действующее на  передний мост автогрейдера

        Y₁ = [ G₁ + ( l₁ / L ) × R_z + ( H / L ) × P_и + ( a₁ / L ) × G_тр ] × φ_{δ max} ,  

где    G₁ – сила тяжести автогрейдера, приходящаяся на 

              его передний мост, кН;

       Н –  положение центра тяжести автогрейдера  по вертикали, м;

       а₁ – расстояние от оси О₁О₂ до точки приложения силы тяжести тяговой

              рамы, м;

       φ_{δ max} – максимальный коэффициент бокового сдвига.

               φ_{δ max} = φ + μ                                                                                   

где   μ – коэффициент  сопротивления перекатыванию движителя  по грунту,

               μ = 0,16 / 14 /.

               φ_{δ max} = 0,75 + 0,16 = 0,91.

          Y₁ = [ 35 + ( 5,61 / 5,84 ) × 15,43 + ( 1,7 / 5,84 ) × 36 + ( 3,6 / 5,84 ) × 14 ] ×

                     ×0,91 = 62,73 кН.

     Как уже  говорилось ранее боковое усилие, действующее на задний мост  автогрейдера равно нулю, т.е.  Y₂ = 0.

     Определяем  боковое усилие, действующее на  режущей кромке ножа отвала  в точке О

               R_y = Y₁ + Y₂                                                                                   

               R_y = 62,73 + 0 = 62,73 кН.

     Определяем  вертикальные реакции грунта, действующие  на передний и задний мосты

    Z₁ = ( G₂ / 2 ) – [ Р_и × Н / (2 × L)] + R_z×[( L – l₁) / L] + ( G_тр×а₁) / L ,   

где      G₂ – сила тяжести автогрейдера, приходящаяся на его задний мост, кН;

         Р_и – равнодействующая сил инерции, кН;

         G_тр – сила тяжести тяговой рамы, кН;

         L – колесная база машины, м;

         l₁ – положение кромки отвала, м;

         Н – положение центра тяжести  автогрейдера по вертикали, м;

         R_z – вертикальное усилие, возникающее на конце режущей кромки ножа

                 отвала, кН;

         а₁ – расстояние от оси О₁О₂ до точки приложения силы тяжести тяговой

                рамы, м;

Z₁=(96 / 2)– [36 × 1,7/(2×5,84)]+15,43 ×[( 5,84 – 5,61) / 5,84] +(14×3,6) / 5,84 =  

         = 52,0 кН;

               Z₂ = ( G₂ / 2 ) – Р_и × H / ( 2×L) + G_тр × a₂ / L ,                              

где   а₂ – расстояние от оси О₃О₄ до точки приложения силы тяжести тяговой

                рамы, м; 

               Z₂ = ( 96 / 2 ) – 36 × 1,7 / ( 2 × 5,84 ) + 14 × 2,24 / 5,84 = 48,1 кН;

      Z₃ = (G₁ / 2) + Р_и × Н / (2 × L) + ( R_z × l₁ ) / L + ( G_тр × a₁ ) / L ,          

      Z₃ = (35 / 2) + 36 × 1,7 / (2 × 5,84) + ( 15,43 × 5,61) / 5,84 + (14 × 3,6) / 5,84 =46,17 кН;

               Z₄ = (G₁ / 2) + Р_и × H / (2×L) + ( G_тр× a₁ ) / L ,                          

               Z₄ = (35 / 2) + 36 × 1,7 / ( 2×5,84 ) + ( 14 × 3,6 ) / 5,84 = 31,4 кН.

     Определяем  усилия в шаровом шарнире тяговой  рамы, пользуясь схемой на рисунке 3.2

     Заменяем шарнир  О_ш равновеликой системой сил X_ш , Y_ш , Z_ш .

     Определяем  горизонтальное усилие в шарнире

               X_ш = R_x + ( G_тр + R_z ) × f₁ ,                                                            

где   R_x – горизонтальное усилие, действующее на конце режущей кромки

                 ножа отвала, кН;

        G_тр – сила тяжести тяговой рамы, кН;

        R_z – вертикальное усилие, действующее на конце режущей кромки ножа отвала, кН;

         f₁ – коэффициент трения грунта о сталь.

 

 

Рисунок 3.3. Схема сил, действующих на шаровой шарнир

Х_ш = 177,97 + ( 14 + 15,43 ) × 0,75 = 200,04 кН.

     Усилие Х_ш в данном случае является преобладающим, поэтому рассматриваемое расчетное сечение проверяем на прочность по горизонтальному усилию Х_ш , которое подвергает тяговую раму деформации – растяжение-сжатие.

     Необходимо, чтобы  выполнялось следующее условие

σ_р ≤ [σ_р] / к ,

где   σ_р – напряжение в расчетном сечении, возникающее при растяжении

                 тяговой рамы,  кН/м² ;

        [σ_р] – допускаемое напряжение растяжения, кН/м² ;

         к – общий запас прочности.

     Для стали  3 ГОСТ 380-71  [σ_р] = 9×10⁴  кН/м²  / 1 / ;  к = 1,3 

     Напряжение  в расчетном сечении определяется  по формуле

σ_р = Х_ш / F ,

где   F – площадь расчетного сечения, м² ;

        Х_ш - горизонтальное усилие в шаровом шарнире тяговой рамы, кН.

     Тяговая рама  представляет собой V – образную сварную конструкцию, изготовленную из прокатной угловой равнополочной стали ГОСТ 8509-72, номер проката 14. Таким образом, расчетное сечение коробчатого вида имеет площадь

F = 109,32 × 10^-4 м² ,

тогда напряжение в расчетном  сечении равно

σ_р = 200,04 / ( 109,32 × 10^-4 ) = 1,8×10⁴  кН/м².

Проверим условие 

σ_р ≤ 9×10⁴ / 1,3 = 6,9×10⁴    кН/м².

      Следовательно  условие выполняется.

     Таким образом,  тяговая рама автогрейдера ДЗ-143 удовлетворяет прочностным расчетам и является работоспособной при работе в данных условиях.

 

 

3.3 Расчет производительности автогрейдера [6]

 

Производительность является важнейшей выходной характеристикой  машины. Ее определяют количеством  продукции, произведенной машиной  в единицу времени. Различают расчетную (теоретическая или конструктивная), техническую и эксплуатационную производительность. Под расчетной (теоретической, конструктивной) производительностью понимают производительность за 1 ч непрерывной работы при расчетных скоростях рабочих движений, расчетных нагрузках на рабочем органе и расчетных условиях работы. Теоретическую производительность рассчитывают на стадии разработки конструкторской документации на машину, используя для этого нормативные значения расчетных параметров и расчетных условий. Под технической производительностью  понимают максимально возможную в данных производственных условиях производительность при непрерывной работе машины. Под эксплуатационной производительностью понимают фактическую производительность машины в данных производственных условиях с учетом ее простоев и неполного использования ее технологических возможностей.

  

Таблица 3.4 - средние значения коэффициента разрыхления k_p

Категория породы по трудности  разработки	Разновидность горной породы	kp
I	Песок, супесок, растительный грунт, торф	1,05...1,12
II	Легкий и лессовидный  суглинок, влажный рыхлый лёсс, мягкий солончак, гравий мелкий и средний, песок, супесок и растительный грунт, смешанные со щебнем и галькой, насыпной слежавшийся грунт с примесью щебня или гальки	1,12....1,20
III	Жирная мягкая глина, тяжелый  суглинок, гравий крупный, галька мелкая, щебень крупностью 15...40 мм, суглинок со щебнем пли галькой	1,20...1,25

 

 

Таблица 3.5 - коэффициент призмы k_пр

Грунты	Значение kпр при отношении H/B
	0,15	0,3	0,45
Связные	0,75	0,78	0,85
Несвязные	1,15	1,20	1,50

Таблица 3.6 – параметры автогрейдера ДЗ-143

Скорости движения, м/с					Ширина отвала, мм	Высота отвала, мм
uI	uII	uIII	uIV	umax	В	Н
1,9	3,5	6,4	11,7	11,7	3740	620

 

Производительность определяем по формуле (м³/ч):

П = 3600V_пp × k_y × k_и /(t_цk_p),

где V_пp – объем грунта в разрыхленном состоянии (объем призмы волочения), находящийся перед отвалом в конце транспортирования, м³;

t_ц – продолжительность цикла, с;

k_y – коэффициент уклона (k_у=1, так как участок горизонтальный);

k_и – коэффициент использования автогрейдера во времени(k_и =0,85);

k_p – коэффициент разрыхления грунта, т.е. отношение объема разрыхленного грунта к объему грунта такой же массы в естественно плотном состоянии ( k_p =1,085 табл. 3.4).

Объем призмы волочения (м³):

V'_пр = BH²/(2k_пр),

где В и Н – ширина и высота отвала, м;

k_пр – коэффициент призмы, установленный экспериментально и зависящий от свойств грунта и соотношения размеров отвала (табл.2.5 ).

k_пр =,

V'_пр =

Продолжительность цикла:

t_ц = l₁/u₁ + l₂/u₂ + l₃/u₃ + l₄/u₄ + n_пt_п + n_оt_о + n_повt_пов ,

где  l₁, l₂, l₃, l₄ – длины пути резания, перемещения, укладки грунта и обратного хода, м;

l₄= l₁+ l₂+ l₃=10+40+15=65 м

u₁=1,9, u₂=u₃=3,5, u₄=u_мах=11,7 – скорости движения на соответствующих участках пути, м/с (табл. 3.6);

t_п – время на переключение передач (t_п ≈2,5с);

t_о – время опускания и подъема отвала (t_о ≈ 4,5с);

t_пов – время разворота автогрейдера на 180° (t_пов ≈ 12,5с);

n_п=3, n_о=5, n_пов=2 – соответственно количество переключений передач, подъемов и опусканий отвала и разворотов на 180°.

t_ц=≈81,5 с,

 

П = 3600V_пp × k_y × k_и /(t_цk_p)=17,3 м³/ч

 

Расчет производительности модернизированного автогрейдера:

 

V'_пр =

П = 3600V_пp × k_y × k_и /(t_цk_p)=

=21,6 м³/ч

 

Делая вывод по главе можно  отметить, что использование модернизированного автогрейдера ДЗ – 143 позволяет увеличить производительность на 4,3 м³/ч и уменьшить количество его проходов, что положительно скажется на эффективности строительства земляного полотна.