Расчет бульдозера рыхлителя для работы с грунтом IV категории прочности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Общий расчет  бульдозера

2.1     Подбор  прототипа бульдозера

 

По условию задания  необходимо создать бульдозер-рыхлитель  для работы с грунтом IV категории прочности. Из таблицы 1.8.1 выбираем прототип машины, которая по техническим характеристикам наиболее близка к требуемой машине. Такой машиной является бульдозер Т-170 завода ЧТЗ с базовым трактором типа Т-170М1.  

Параметры	Бульдозер Т-170
Тип отвала	прямой неповоротный
Трактор базовый	Т-170М1
Отвал: длина по ножу в мм	4000
высота в мм	1215
ширина захвата  в мм	4000
угол резания  в град	50 — 60
высота подъема  в мм	1050
наибольшее заглубление  в мм	350
Габаритные размеры (при угле захвата 90°) с трактором в мм: длина	6450
ширина	4620
высота	3450
вес бульдозера в кг	15000
Вес отвала в кг	2500

 

2.2 Выбор параметров  отвала

Необходимо разработать бульдозер, способный работать в различных условиях с грунтами IV категории.

Выбираем  прямой неповоротный отвал, т.к. он способен выдерживать высокие напряжения на краях отвала, в отличие от поворотных.

За главный параметр бульдозеров  принимается номинальное тяговое  усилие трактора или тягача (масса  бульдозера 15000кг).

где - сила тяжести бульдозера и рабочего органа,

G_{б.м.+р.о.}=147кН;

(φ_сц - коэффициент сцепления, для гусеничных машин с грунтозацепами φ_сц =1,1).

Основными параметрами отвала бульдозера (рисунок 1.1. 2) являются: ширина отвала

L; высота отвала В, без козырька; угол резания δ; угол заострения ножа β и задний угол а; угол захвата φ.

Высота отвала определяется силой тяги Т_ном и грунтовыми условиями, для которых предназначается проектируется бульдозер. Высота определяется, или исходя из средних значений (см. таблица 2.2.1), или по формуле :

,

где Т_ном – номинальная сила тяги бульдозера в [т]

Общая высота отвала вместе с козырьком находится  по формуле:

где В_к- общая высота отвала; В- высота отвала, без козырька; Н_к- высота козырька,   Н_к=0,15B

 

 

 

 

 

Таблица 2.2.1

Значение высоты отвала В, без козырька, для универсального бульдозера.

 

Номинальное тяговое  усилие, Тном.,кН	Высота отвала, В мм.
60	400
100	500
300	700
500	800
1000	1000
1500	1100

 

 

2.3 Определения сопротивлений копания при перемещении грунта

Необходимая для  работы бульдозера сила тяги расходуется  на преодоление следующих сопротивлений  грунта:

Рисунок 2.3.1 Сопротивления, возникающие при работе отвала

 

1)  Сопротивление грунта резанию найдем по формуле:

W1=ko • L • h , (2.3.1)

где ko- соответствующее данному отвалу удельное сопротивление грунта лобовому резанию, равное 15 Н/см², L- длина отвала;   h-толщина стружки.

Найдем это  сопротивление после определения  всех остальных сопротивлений, т.к. нам неизвестен параметр h.

2) Сопротивление от перемещения грунта вверх по отвалу  
определяется по формуле:

W₂=G_np • f₁ • cos²δ , 

где W2- сопротивление, представляющее собой проекцию на горизонтальную ось той силы трения, которая развивается от движения грунта по отвалу; Gпр,- сила тяжести грунта в призме волочения; f1- коэффициент трения грунта о сталь,  f1=0,5-0,6.

Очевидно, что  сила тяжести призмы волочения определяется по формуле:

Gnp=Vnp • δ₀ • g ,

где Vnp- объем призмы волочения; δ ₀- объемная масса грунта, которая может быть принята равной 1400-1500кг/м³; g- ускорение силы тяжести.

Vnp=L • B_k²/2, (2.3.4)

где L- длина призмы волочения, принимается равной длине отвала (исходя из прототипа L=4000мм); B_k- высота призмы волочения, равная высоте отвала.

Vпр=4000 • 1215²/2=2,95 • 10⁹=2,34м³.

Gnp=2,95 • 1400 • 9,81 =40,5кН.

Тогда подставляя значения в формулу 2.3.1 получим:

W2=40,5• 0,6 • cos²60⁰=5,64 кH.

3) Сопротивление  от перемещения призмы волочения  грунта перед отвалом (рисунок 2.3.1) находится по формуле:

W₃=G_np • f₂ (2.3.5)

где f₂- коэффициент трения грунта о грунт, который равен 0,8-1,0.

W₃=40,5 • 0,9=38,05 kH. ,

4) Сопротивление от перемещения бульдозера как тележки определяется по формуле:

                W₄=Gб.м.+р.о. • ( f 1 + i )       (2.3.7)

где f- коэффициент сопротивления передвижению, f =0,07;  i- уклон, i=0,05-0,15,

W₄=147• (0,07+0,15)=32,37кН.

Суммарное сопротивление, возникающее при работе бульдозера определяется по формуле:

ΣW=N • μ/Vраб    (2.3.8)

где N- потребная мощность двигателя базовой машины, исходя из задания, кВт; μ -механический к.п.д. машины; Vраб- действительная скорость движения бульдозера, V_pa6 ~0,6м/с.

Σ W=130000 • 0,85/0,61=181,15 kH.

Также суммарные  сопротивления могут быть определены, как сумма всех сопротивлений:

Σ W= W1+ W₂+ W₃ +W₄(2.3.9)

Отсюда мы определим  сопротивление резанию:

W1= Σ W – (W₂+ W₃ +W₄ )  (2.3.10)

W1=181,15 – (5,64+38,05+32,37)=105,09 kH.

Выразив из формулы 2.2.1 h- толщину стружки, получим:

h = W1/ ko • L , (2.3.11)

h=105090/15 • 400 =18,64cм=186мм.

Проверяем соответствие условию  Тmах ≥ W:

Тmах = 161 кН ≥ W = 105,09 кН

Условие соблюдено, тяговые  характеристики бульдозера подходят для  работы в заданных условиях. Неудовлетворение указанному выше условию по тяговому усилию Тmах означает недостаток мощности для движения машины с заданной скоростью v.                                       .  

2.4 Общая схема сил, действующая на бульдозер

На рабочее  оборудование бульдозера во время работы действуют следующие силы (рис. 4): вес рабочего оборудования G, сила в упряжном шарнире Р_с, усилие на гидроцилиндре S и реакция грунта Р.

Рассмотрим каждую из этих сил в отдельности.

 

 

 

Рисунок 2.4.1 Схема сил, действующих на бульдозер

 

Вес G рабочего оборудования способствует заглублению отвала в грунт. У бульдозеров с гидравлическим управлением заглубление отвала осуществляется принудительно, под действием гидроцилиндров, что позволяет снизить вес отвала, определяемый в этом случае только из условий прочности, и значительно повысить удельное давление ножа на грунт. Горизонтальная реакция, является силой трения ножа о грунт:

R1=μ • R₂ ,

 

Учитывая неровность поверхности грунта и возможность  работы передней грани ножа по срезанию неровностей, принимаем коэффициент трения ножа по грунту μ=0,5. Реакция R₂ (рисунок 2.4.1), преодолеваемая при заглублении отвала, может быть определена из уравнения

R₂=k' • x • L • g (2.4.2)

где k'- коэффициент несущей способности грунта; для средних условий к =5-6 кг/см² , L- длина ножа в см; g=9,81 – нормальное ускорение; м/с² х - ширина нижней площадки поверхности ножа, трущейся о грунт, с учетом затупления ножа; х= 1,0-1,5 см.

R₂=5,5 • l • 400 • 9,81=21,56 кH

Подставляя полученное значение в формулу (2.3.1) получим

R1=0,5 • 21,56 =21,56 кH.

Реакция Р грунта на рабочий орган бульдозера, действующая в условиях его нормальной работы, представляет собой силу сопротивления грунта копанию и может быть представлена в виде горизонтальной и вертикальной составляющих, приложенных на высоте hk от режущей кромки ножа.

В качестве расчетной  реакции грунта Р при расчете на прочность принимается ее максимальная величина, соответствующая наиболее тяжелым условиям работы бульдозера. Такими условиями следует считать упор отвала движущегося бульдозера в непреодолимое препятствие в виде жесткого предмета (камня, бревна и т. д.).

Рисунок 2.4.2   Схема сил, действующих на нож отвала при упоре в препятствие.

Со стороны  препятствия на нож действует  нормальная реакция N и сила трения

F =N-μ направленная вверх, по касательной к ножу (противоположно возможному перемещению отвала относительно препятствия). Кроме этого, на отвал действует реакция грунта на затупленную поверхность ножа, показанная на рис 5 в виде составляющих R₁ и R₂.

Силы Р1 и Р₂ (рисунок 2.4.2)- горизонтальная и вертикальная составляющие суммарной реакции грунта на нож, могут быть выражены уравнениями:

P₁=N • sin(δ+φ₁)+R1; (2.4.3)

Р₂= N • cos(δ+φ1)+R₂, (2.4.4)

где φ1— угол трения грунта по металлу.

Поскольку наибольшие усилия в механизме подъема в  элементах конструкции оборудования будут иметь место при упоре отвала в препятствие нижней его частью, суммарная реакция препятствия на нож должна быть приложена в точке, расположенной на поверхности ножа в непосредственной близости от режущей кромки. Исходя из этого, в качестве точки приложения силы Р  условно принимается режущая кромка ножа.

Сила P1 определяется тяговыми возможностями трактора и действием динамических сил при упоре отвала в препятствие. Максимальная сила P1 может рассматриваться как сумма статической силы Р1c, соответствующей условию буксования движителей, и динамической силы р_1д, зависящей от инерции движущихся масс и жесткостей препятствия и элементов конструкции:

P1max=P1c+P1д (2.4.5)

Максимальная  сила Р_1с определяется из уравнения:

P1c= Т_max=G_сц • φmax , (2.4.6)

где G_сц - сцепной вес бульдозера; при нейтральном положений гидроцилиндров механизма подъема сцепной вес равен практически (без учета весьма малой в этом положении вертикальной реакции в шарнире С) весу трактора Gб.м.; при запертых гидроцилиндрах сцепной вес складывается из веса трактора Gб.м. , веса рабочего оборудования G_р.o.  и вертикальной реакции грунта на отвал Р₂;

φmах - максимальный коэффициент сцепления движителя с грунтом; составляет 1,1 для гусениц.

Р_1с=15000∙9,81∙1,1=161,7кН

Динамическую  силу Р1_Д можно определить, рассматривая машину и препятствие как упругую систему с одной степенью свободы и принимая за исходные величины массу бульдозера m_бм , массу препятствия m_р.o. жесткость конструкции навесного оборудования C1, жесткость препятствия C2 и начальную скорость движения машины V_нач, соответствующую началу буксования движителей. Принимая массу препятствия бесконечно большой, а начальную скорость буксования равной номинальной скорости машины на      I передаче и решая дифференциальное уравнение движения машины в процессе ее удара о препятствие, получим следующее выражение для максимальной динамической силы:

                             (2.4.7)

где C_o-суммарная жесткость препятствия конструкции,

                                           (2.4.8)

Коэффициент жесткости  металлоконструкции навесного оборудования бульдозера может быть найден расчетным путем или определен приближенно по формуле, рекомендуемой ВНИИСтройдормашем [1, стр.249]:

,                                                  (2.3.9)

где α_ж — коэффициент жесткости конструкции навесного оборудования на   1 кг веса трактора: α_ж = 0,9 — 1,0  .

С₁=1,0∙2500=2500кг/см

 Коэффициент жесткости препятствий может быть определен по формуле:                                                                        (2.4.10)

где β_ж — коэффициент жесткости препятствия на 1 см длины отвала в кг/см².

L - длина отвала в см.

Величина β_ж, по данным В. Д. Телушкина [7, стр.17], составляет: для грунта IV категории при δ = 60°, β_ж= 2,8.

С₂=2,8∙400=1120кг/см

Подставляя полученные значения в формулу 2.3.6, 2.3.5 и 2.3. получим:

С₀=2500∙1120/(2500+1120)=773,5 кг/см