Расчет бульдозера рыхлителя для работы с грунтом IV категории прочности

Р_1Д=0,61∙√15000∙7,73=207,7Н

Р_1мах=161700+207,7=140кН

 Действие  динамической силы р1_д может быть оценено коэффициентом

динамичности  _{=161,9/161,7=1,001}

При расчете на прочность элементов конструкции  бульдозера коэффициент динамичности может быть приближенно принят kd=l,0-2,5; меньшие значения соответствуют условиям стопорения отвала в грунте IV категории, большие - упору в препятствие в виде кирпичной кладки. Для бульдозеров с гидродинамической трансмиссией коэффициент динамичности kд имеет меньшие значения, что обусловлено снижением начальной скорости буксования Vнач по сравнению с номинальной скоростью V_HOM .

Вертикальная  составляющая реакции препятствия  на отвал может быть выражена уравнением:

P₂ = (P1–R1) • ctg(δ+φ1)–R2                                     (2.4.11)

                              P₂ = (161,9–21,56) • ctg(65) – 21,56=42,9 кH

Из этого уравнения  видно, что максимальное значение силы Р₂, направленной вниз, будет иметь место при R1=R₂=0 и минимальном угле резания δ:

             (2.4.12)

                           P_2max =161,9ctg(50⁰+15⁰)=74,47

Необходимо отметить, что действие силы Р₂ при запертых гидроцилиндрах подъема, приводит к увеличению нормальной реакции грунта на движители машины, а следовательно, к увеличению максимальной силы тяги по сцеплению, что, в свою очередь, ведет к возрастанию реакции грунта на отвал.

Сила р_1с, определяемая по формуле, с учетом формулу (2.3.9) будет в этом случае равна:

    (2.4.13)

подставляя значения в формулу, получим

P₁=[(15000+2500)0,95]/(1-0,95∙0,466)=2,926∙10⁵=292,6кН

Сила S на штоке гидроцилиндра может достигать значительной величины в положении резания при запертых гидроцилиндрах или в начале подъема отвала из положения резания в транспортное.

Силу S, возникающую в процессе резания, можно определить из уравнения моментов сил, действующих на рабочее оборудование бульдозера, относительно точки С (рис.6);

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4.3 Схема к определению силы, развиваемой механизмом подъема

На рабочее  оборудование с поднимаемым грунтом  при выглублении отвала действуют следующие силы (рисунок 2.4.3): G - вес рабочего оборудования; Gг - вес поднимаемого грунта;

Q - сила сопротивления сдвигу грунта, поднимаемого с отвалом, относительно грунта, остающегося в призме;

P₁ и P₂ - горизонтальная и вертикальная составляющие реакции грунта, действующие на рассматриваемую систему;

Вес поднимаемого грунта определяется:

 0, 841∙4,00∙1,8∙9,81=5,851∙10⁴=58,51кН

где F_n - площадь поперечного сечения грунта в отвале, F_n =0,841 м² (условно рассчитаем как четверть окружности радиусом равным высоте отвала) ;

L - длина отвала;

γr - объемный вес грунта (примем равным γr =1,8 т/м³).  [1, стр.34]

Сила Q определяется из уравнения:

Q=μT+CF;    (2.4.15)

где F=Lh - поверхность, по которой происходит сдвиг (условно принимаем, что сдвиг происходит по вертикальной стенки, проходящей через острие ножа);

F=4,00 ∙ 0,181=0,71м²

С - сцепление грунта при сдвиге в кг/см² [1, стр.38], С=0,6 кг/см²;

μ - коэффициент внутреннего трения грунта;

Т- сила тяги, приложенная к рабочему органу

Входящую в  это уравнение силу Т принимаем равной нулю, считая, что вся сила тяги уравновешивается реакцией pi (что является наиболее тяжелым случаем при определении силы подъема Sп). Тогда получим:

Q=0,6∙ 0,71 ∙ 10⁴ ∙ 9,81=41,8кН.

Силы P1 и P2 находятся из уравнений (2.4.5) и (2.4.12). Сила Sп определяется из уравнения моментов сил, действующих на рабочее оборудование, относительно точки С:   тогда,

При некоторых (критических) значениях усилия подъема и недостаточной  устойчивости машины может произойти ее опрокидывание относительно передней кромки гусениц (точка А на рисунке 2.4.3). Из условия равновесия системы относительно этой точки критическое значение силы подъема:  
                                                                                     (2.4.16)

где G_т — сила тяжести трактора, r₁ – расстояние от точки опрокидывания (т.А) до линии действия S_п

Sкр=147,15∙3,22/1,08=438,7кН

Очевидно, что  выглубление отвала становится возможным при соблюдении следующего неравенства:

Sп ﮐ Sкр

Наибольшее, т. е. расчетное значение силы подъема, может  быть определено по мощности двигателя трактора. На эту силу следует рассчитывать гидроцилиндр и детали рамы бульдозера.

Бульдозер с гидравлическим управлением осуществляет принудительное заглубление отвала. Максимальная сила, действующая по штокам гидроцилиндров, определяется из условия опрокидывания бульдозера относительно точки В (рисунок 2.4.3). Значение этой критической силы заглубления можно найти из условия равновесия системы относительно этой точки. По найденной таким образом критической силе рассчитывается система гидравлического управления, а рабочее оборудование бульдозера проверяется на прочность.

Реакция p_c в шарнире С, определяется из уравнений равновесия сил, действующих на рабочее оборудование:

X_c=P₁+S • cosθ,    (2.4.17)

Zc=S • sinθ – P₂ – G,    (2.4.18)

Где θ- угол наклона гидроцилиндров механизма подъема по отношению к горизонтали.                   X_c=292,6+431,9 • cos48°=577,6 кH

Zс=431,9 • sin48° – 42,9 – 24,5=253,6 кH

Максимальные  усилия в шарнирах возникают при  внезапном упоре отвала в препятствие.

Определение сил, действующих на бульдозер с поворотным отвалом, имеют некоторые особенности, обусловленные установкой отвала. На универсальный отвал действует реакция грунта Р, которая дает кроме составляющих Р_i и Р₂, боковую горизонтальную составляющую р_з.

Максимальное  значение составляющей р_з следует проверить по условиям сцепления ходового оборудования трактора с грунтом.

Р3 • 1<Мр,

где Мр- суммарный момент горизонтальных реакций грунта на ходовое оборудование. Для гусеничных бульдозеров:

                                    (2.4.19)

где μ-приведенный коэффициент сопротивления гусениц повороту, μ=0,7-1,0; G_r - вес приходящийся на гусеницы трактора, при нейтральном положении механизма подъема G_r= G_т=147,15 кН.

М_р=1∙147,15∙3,05/4=112,2 кН∙м

Тогда,         Р₃=М_р/l=112,2/4,25=26,4 кН,

где l – расстояние от центра гусениц до линии действия Р₃ (l=4,25 м)

Таким образом найдены  все три составляющие реакции  грунта Р₁, Р₂, Р_{3 .}

3. Прочностные расчеты

3.1  Выбор расчетных положений рамы  бульдозера 

 

Рассмотрев действие внешних сил, можно сделать выводы в отношении положений и условий работы бульдозера, наиболее опасных с точки зрения его прочности.

Силы pi и Хс достигают предельных значений при рабочем движении бульдозера с использованием полной толкающей силы трактора и действии сил инерции. Осуществление этих условий возможно, например, при упоре отвала бульдозера в препятствие.

Реакция Р2, а также сила напряжения S механизма подъема могут достигать наибольших величин в том же положении при запертом гидроцилиндре или в случае подъема отвала с грунтом при условии использования полной мощности двигателя.

Точкой приложения сил Р1 и Р2 может являться любая точка на поверхности отвала, что следует учитывать при расчете отдельных частей.

Исходя из этого, выбираем данное расчетное положение: когда бульдозер наезжает серединой отвала на непреодолимое препятствие.

Расчетное положение: Упор отвала в препятствие средней точкой в процессе резания при запертом положении механизма подъема.

1)  бульдозер движется по горизонтальной поверхности, начальная скорость движения равна номинальной скорости на I передаче;

2)  при упоре в препятствие используется  максимальная  по  сцеплению 
толкающая сила; kg = 2,5,

3)  угол захвата при расчете бульдозера с поворотным отвалом принимается 
минимальным.

 

 

 

Расчет  на прочность. Выбрав расчетные положения и наметив расчетные условия, приступают к определению сил, действующих на машину и ее части. Для этого составляют расчетные схемы машины применительно к каждому из намеченных положений.

Расчетные схемы  выполняют в виде схематического чертежа машины, на котором   проводятся  координатные  оси,  показываются  контуры   основных частей,   способ   их   соединения    и   взаимодействия   между   собой    и   с разрабатываемым    грунтом,    наносятся    точки    приложения    внешних    и внутренних сил и показываются силы, действующие на машину. Если задача не может быть сведена к определению сил, действующих в одной плоскости, то расчетная схема выполняется в двух проекциях или в аксонометрии. Построив расчетную схему для рассматриваемого положения, определяют значения активных сил, действующих на машину: сил тяжести и толкающей силы.

Из условий  равновесия машины и отдельных ее частей определяют неизвестные внешние  силы, а также силы взаимодействия между частями машины, необходимые  для расчета на прочность. Затем  вычисляют напряжения, действующие  в опасных сечениях. Сравнивая  вычисленные значения напряжений с допускаемыми, производят проверку на прочность.

3.2 Расчет  рамы бульдозера на прочность

      В расчетном положении действию опасных нагрузок подвергается отвал бульдозера. Расчет отвала производится в следующем порядке. Построив расчетную схему бульдозера (рисунок 2.4.1), находим действующие на него внешние силы G, Р_2, P1, S_р. Силу тяжести рабочего оборудования и положение центра тяжести определяем исходя из данных эскизного проекта или по подобию с существующими моделями.

    На отвал, кроме сил Р₁, Р₂ и S_р, действует сила тяжести отвала G₀  и реакции в шарнирах Х_А1, Z_A1, Х_А2  и Z_A2 и в подкосах Р_В1 Р_В2 (рисунок 3.2.1, а).

    Рассматриваем отвал как балку, шарнирно закрепленную точках А₁ и А₂ (рисунок 3.2.1, б), пренебрегая при этом моментами горизонтальной плоскости, действующими на отвал со стороны толкающих брусьев при изгибе системы, что ведет к незначительному увеличению запаса прочности.

Рисунок 3.2.1 Расчетные  схемы 

     Допускаем,  что размеры и формы сечения отвала постоянны по его длине и соответствуют опасному сечению.           . 
Усилия, возникающие в опасном сечении аа (рисунок 3.2.1, е) под 
действием    внешних   нагрузок,    находим    следующим    образом: 
определив положение центра тяжести сечения О и направление 
главных осей инерции сечения х и z, приводим силы Р₁, Р₂ и S_р 
точке О и раскладываем их на составляющие по осям х и z. 
В сумме эти составляющие образуют силы Q_х и Q_z.

Q_х= - P₁+S_p· cosβ = - 292,6+432,97·0,7=10,47кН

Q_z=- P₂+S_p· sin(90-β) =- 42,9+432,97·0,7=260,17кН

Силу тяжести вала рассматриваем как равномерно распределенную нагрузку:

                                  q=G₀/L                q=147000/4=36,75кН                          .  
которую также разложим на составляющие q_x и q_z. 
     При  предварительных  расчетах  действием силы  тяжести  отвала можно пренебречь. 
    Под действием внешних сил в сечении аа возникают следующие 
усилия: изгибающие моменты М' в плоскости хОу и М" в плоскости уОz и крутящий момент М_к/2.                   . 
Изгибающие моменты М¹ и М" определяют по формулам 
         (3.2.1)                    (3.2.2)

М’= (10,47·4/4)-(36,75· 4²/8)=-63кН         M”= (260,17·4/4)-(36,75· 4²/8)=187кН              

Крутящий момент М_к/2 определяется как половина суммы моментов сил Р_1, Р₂, S_р и G₀ относительно центра жесткости (центра изгиба) сечения. Координаты центра жесткости приближенно определяют по формулам

                    (3.2.3)

 

 

 

 
 

(3.2.4)

 

 

Для проверки прочности материала  балки по отношению к нормальным напряжениям необходимо найти наиболее напряженные площадки, т.е. такие  на которых М=М_мах

Тогда для наибольшего  нормального напряжения получаем:

;      (3.14)

где М_мах – наибольшее значение момента.

      W – осевой момент сопротивления.

При симметричном относительно нейтральной оси сечении, например коробчатое сечение, расстояние до крайних  растянутых и сжатых волокон одинаково  и такое сечение имеет одно определенное значение момента сопротивления  относительно оси у (рис. 10а).