Расчет стрел и рукоятей обратных лопат одноковшовых экскаваторов с гидроприводом

Основным видом рабочего оборудования экскаваторов с ги­дроприводом является обратная лопата. Рабочее оборудование обратной лопаты (рисунок 14.21) состоит из стрелы, рукояти, ковша, гидроцилиндров и рычажного механизма поворота ковша. Ру­коять выполняют в виде балки коробчатого сечения. На рукояти размещают гидроцилиндр поворота ковша с рычажным механизмом.

Рукоять относительно стрелы поворачивается гидроцилин­дром. Стрелу делают изогнутой, что позволяет увеличить глубину копания. В плане нижняя часть стрелы раздваивается и оканчи­вается пятами, с помощью которых она шарнирно устанавливается на поворотной платформе. Балка стрелы коробчатого сечения. В целях увеличения крутильной жесткости стрелы, а также повышения устойчивости стенок и полок в балках рукояти и стрелы устанавливают диафрагмы.

Расчет рукояти.Анализ работы рукояти и проведенные эксперименты показывают, что наибольшее напряженное состоя­ние в сечениях балки рукояти возникает при копании гидроци­линдром поворота ковша. При этом стрела максимально опущена вниз; угол между штоком гидроцилиндра рукояти и хвостовой частью рукояти составляет 90°; зубья ковша находятся на про­должении оси рукояти.

Рисунок 14.21- Рабочее оборудование обратной лопаты

экскаватора с гидроприводом

Расчетное положение рукояти и схема действующих нагрузок показаны на рисунок 14.22. Действующие нагрузки: расчетные усилия в гидроцилиндрах поворота ковша Р_к, подъема стрелы Р_с и горизонтальная составляющая Р_б на режущей кромке ковша (бо­ковая сила); g_K, g_p, g_c — вес ковша, рукояти и стрелы.

Касательная составляющая сопротивления грунта копанию Р₀₁ на режущей кромке ковша, создаваемая гидроцилиндром пово­рота ковша:

Рисунок 14.22. Расчетная схема (а) и силовой многоугольник (б)

для балки рукояти

Нормальная составляющая сопротивления грунта копанию Р₀₂ на режущей кромке определится из суммы моментов действующих сил относительно пяты стрелы (точка А):

(14.83)

где ∑ M (g_c, g_p, g_K) — момент относительно точки А, создавае­мый весом рабочего оборудования. Решая это уравнение относительно Р₀₂ и учитывая предшествующую, получим

(14.84)

Реактивное усилие в гидроцилиндре рукояти найдем из суммы моментов относительно оси поворота рукояти (точки В):

. 14.85

Боковая сила на режущей кромке ковша, создаваемая меха­низмом поворота, определится по зависимости

(14.86)

где M_пов — наибольший крутящий момент поворота платформы, приведенный к оси вращения поворотной платформы.

Равнодействующую в шарнире В найдем из силового много­угольника действующих на рукоять сил (рисунок 2.22, б). Равнодей­ствующую R_B разложим на две составляющие S_p и R_A, направ­ленные по оси рукояти и перпендикулярно к ней.

Нормальные напряжения в точках сечения А_х определяются по формуле

(14.87)

а в точках сечения Б_х по формуле

(14.88)

где s - эксцентрицитет между продольной осью рукояти и осью центра тяжести сечения;

F - площадь сечения.

При определении нормальных напряжений в точках сечения у шарнира В следует учитывать влияние стесненного изгиба.

Нагрузки в сечении С*, удаленном на 1_С от оси шарнира В. Растягивающее усилие находится по формуле

(14.89)

где g_c — вес части рукояти, расположенной слева от сечения С_х;

β — угол наклона рукояти к горизонту.

Изгибающий момент в вертикальной плоскости определяется по зависимости

(14.90)

где r — плечо действия силы g_c до сечения С_х.

Копание грунта может производиться крайним зубом ковша, что приводит к скручиванию рукояти моментом

(14.91)

(где b — ширина ковша) и дополнительному изгибу из плоскости копания моментом

Суммарный изгибающий момент из плоскости копания от бо­ковой горизонтальной силы Рв и дополнительного изгиба будет

(14.92)

Проверка напряженного состояния точек сечений рукояти при поворотах производится так же, как для однобалочных рукоятей экскаваторов с канатной подвеской.

Расчет стрелы. Наибольшие нагрузки в балке стрелы воз­никают в период копания гидроцилиндром ковша на максималь­ной глубине (рисунок 14.23). В том случае, если максимальное усилие на режущей кромке ковша не может быть реализовано ввиду ограниченной устойчивости экскаватора или ограничения реак­тивного усилия в гидроцилиндре рукояти, за расчетное положе­ние следует принимать положение при несколько повернутой рукояти на угол, при котором максимальное усилие на режущей кромке ковша полностью реализуется.

Действующие нагрузки: расчетные усилия в гидроцилиндре поворота ковша Р_к, подъема стрелы Р_с и горизонтальная состав­ляющая Р_б на режущей кромке ковша (боковая сила); веса эле­ментов рабочего оборудования g_c, g_p, g_K.

Реакция Р₀₂ определяется по формуле 2.84, реакция Р_о1 и реакция Р_р в гидроцилиндре рукояти по формулам:

где

Равнодействующая в шарнире В определяется из многоуголь­ника сил, действующих на рукоять с ковшом (рисунок 14.23, б). Для удобства дальнейших расчетов разложим равнодействующую R_B на две составляющие R_c и S_c (рисунок 14.23, а).

Нагрузки в сечениях стрелы будем рассматри­вать, предполагая, что ко­пают средней частью режущей кромки ковша и крайним зубом ковша.

Рисунок 14.23. Расчетная схема (а) и силовые многоугольники (б и в) для

балки стрелы

Нагрузки в сечении А_х, удаленном на расстояние l_A от шарнира В. Изгибающиймомент в вертикальной плоскости

(14.92)

где g_с1 - вес участка балки стрелы па длине l_A;

r_А — плечо действия веса g_c1 до сечения А_х.

Растягивающее усилие

(14.93)

Изгибающий момент из плоскости копания:

при копании средней частью режущей кромки ковша

(14.94)

при копании крайним зубом ковша

где b — ширина ковша.

Крутящий момент при копании средней режущей частью ковша

(14.95)

при копании крайним зубом ковша

Нагрузки в сечении Б_х, удаленном на расстоя­ние l_Б от шарнира В. Изгибающий момент в вертикальной плос­кости

где g_c2 - вес участка балки стрелы на длине l_Б;

r_Б - плечо действия веса g_C2 до сечения Б_х.

Растягивающее усилие

(14.96)

Изгибающий момент из плоскости копания определяется по формуле (2.94) или (15.13а) с подстановкой вместо /_А величины l_Б. Крутящий момент определяется по формулам (2.95) или (15.14а).

Нагрузки в сечении D_x, расположенном на расстоя­нии l_D от пяты стрелы, определим по следующим зависимостям.

Изгибающий момент в вертикальной плоскости

(14.97)

где∑ M (g_K, g_p, g_c3) - сумма моментов весовых нагрузок отно­сительно сечения D_x;

g_c3 - вес стрелы без участка длиной l_D.

Растягивающее усилие

(14.98)

Изгибающий момент в боковой плоскости при копании сред­ней частью ковша

(14.99)

при копании крайним зубом ковша

Крутящий момент при копании средней частью ковша

(14.100)

при копании крайним зубом ковша

Рисунок 2.24. Схемы к определению нагрузок в развилке стрелы

Нагрузки в сече­нии Г_х, удаленном на расстояние l_г от пяты стрелы. Уси­лие в шарнире А определим из силового многоугольника

действующих на рабочее оборудование нагрузок.

Разложим реакцию R_A по двум направлениям: вдоль оси стрелы S_A и перпендикулярно ей V_A. Тогда изгибающий момент в вертикальной плоскости

(14.101)

где g_c4 - вес участка стрелы на длине /_г;

r_c4 - плечо действия веса g_c4 до сечения Г_х.

Сжимающее усилие

(14.102)

Изгибающий момент в боковой плоскости определяется по формуле (14.99) или (15.18а) с заменой l_D значением 1_Г. Крутящий момент находится по зависимости (2.100) или.

Нагрузки в сечениях И_х и И_х (рисунок 14.24) между пятами стрелы и развилкой определяются по суммарным реакциям в пятах стрелы.

Для удобства расчета разложим эти реакции на три взаимно перпендикулярных направления. Суммарные составляющие реак­ций в пятах стрелы S_A и R_A распределяются между пятами равномерно. Боковая сила Р_б вызывает боковой изгиб стрелы и ее скручивание, которые воспринимаются пятами в виде реакций Т и Q:

где r и г₄ - плечи в соответствии с рисунок 14.4, а;

а - расстояние между пятами стрелы (см. рисунок 14.4).

При боковых зазорах в пятах стрелы и допусках на линейные размеры возможен случай восприятия боковой силы Р_б одной пятой (правой или левой). Тогда нагрузки в сечениях И_х и И_х, расположенных на расстоянии l_N от пят стрелы, определим по следующим зависимостям.

Изгибающий момент в вертикальной плоскости

(14.103)

Сжимающее усилие

(14.104)

Изгибающий момент из плоскости копания

(14.105)

Суммарные нормальные напряжения в рассматриваемых точ­ках любого сечения стрелы определим по формуле

, (14.106)

а ка­сательные напряжения от скручивания в полках сечения - по формуле

(14.107)

В стенках сечения

(14.108)

где F` - площадь, охватываемая средней линией замкнутого профиля сечения;

δ_ст, δ _п, - толщина стенки или полки в рассматриваемой точке сечения;

Q_x, Q_y – поперечные силы соответственно вдоль осей х и у;

S_x, S_y – статический момент сопротивления сдвигающей части сечения относительно нейтральной оси соответственно х-х и у-у.

Приведенные напряжения определяются по формуле

(14.109)

Определение приведенного напряженного состояния точек сечений производится по зависимости (9.14). Проверку напря­женного состояния точек сечений стрелы при поворотах экскава­тора следует проводить по методике, аналогичной методике расчета рукоятей экскаваторов с канатной подвеской.