Расчет рам скреперов

Рама скрепера охватывает ковш с двух сторон и крепится продольными балками к ковшу, а передней частью опирается на прицепное устройство, которое, если скрепер самоходный, раз­мещено на седельном устройстве тягача, а если прицепной — на передней оси. Соединение рамы с ковшом шарнирное; шарниры цилиндрические или шаровые. Переднее прицепное устройство имеет продольный и вертикальный шарниры, обеспечивающие возможность поворота тягача или передней оси как в горизонталь­ной плоскости, так и в поперечной вертикальной плоскости.

Рабочие нагрузки воспринимает режущая кромка ковша. В отличие от рассматриваемых ранее бульдозера и автогрейдера на ноже скрепера в нормальных условиях работы боковых нагру­зок не возникает. Величина действующих на нож нагрузок различна для каждого периода работы. Поэтому назначают ряд расчетных положений, для которых определяют сопротивления, возникающие при работе. Будем считать усилия на кромке ковша заданными.

Определение нагрузок, действующих на раму скрепера, не­обходимо начинать с анализа внешних сил, действующих на машину в целом. В качестве примера рассмотрим схему сил, действую­щих на самоходный скрепер с одноосным тягачом (рисунок 14.35). В процессе набора грунта на машину действуют следующие силы: весовые нагрузки — вес тягача и вес скрепера (величина и точки приложения этих нагрузок известны). На ноже ковша возникают силы сопротивления копанию, которые в общем слу­чае могут быть представлены в виде двух составляющих: каса­тельной силы р! и нормальной силы Р₂. Их находят из тягового расчета, а точкой приложения с достаточной достоверностью можно считать режущую кромку ковша. Из тягового же расчета находят и окружное усилие Т₁, действующее на ведущих ко­лесах. Обычно самоходные скреперы не обеспечивают полного заполнения ковша без дополнительного толкача. Необходимое до­полнительное толкающее усилие Т_Т также определяют при тяго­вом расчете. На колесах тягача и скрепера действуют верти­кальные реакции R₁ и R₂ и силы сопротивления перекатыванию Р_f1 и Р_f2. При точном рассмотрении вертикальные реакции на коле­сах не проходят через ось колес, а смещены относительно нее на величину а₁ (или а₂). Однако, как показали исследования, значениями а₁ и а ₂, ввиду их относительной малости по сравнению с d. и e, а также величинами Р_f1 и Р_f2, поскольку эти силы во много раз меньше сил Т₁ и Т_N соs ψ на тяговом режиме работы, можно пренебречь без ущерба для точности, необходимой для практи­ческих расчетов.

Рисунок 14.35 Схема сил, действующих на самоходный скрепер

Таким образом, неизвестными из внешних сил будут только вертикальные реакции R₁ и R₂, возникающие на передних и задних колесах. Эти реакции определяют из уравнений моментов относительно точек А и В. При использовании приводимых далее формул необходимо учитывать, что они записаны с учетом таких направлений действия сил, которые указаны на расчетных схе­мах. Для других расчетных положений эти направления могут отличаться от указанных, и это следует учитывать при записи уравнений.

Учитывая сказанное выше, запишем

Откуда

(14.122)

и

Откуда

(14.123)

Рисунок 14.36. Схема сил, действующих на тягач скрепера

Рисунок 14.37 Схема сил, действующих на ковш скрепера

Определим силы, действующие непосредственно на раму. Для этого рассмотрим равновесие одного тягача (рисунок 14.36). Влия­ние отброшенного скрепера заме­ним реакциями R _Е,, R _К и F_K дей­ствующими на тягач в седельном устройстве. Необходимо учесть, что при резании продольная ось тягача может оказаться не гори­зонтальной, а будет наклонена к горизонту под углом φ. Если кинематический расчет покажет, что этот угол невелик, можно пренебречь им. Для схемы, показанной на рисунке 18.2, составляя уравнения моментов относительно точек Е и К и сумму проекций на ось z', определим

(14.126)

Кроме усилий, в сцепном устройстве на раму действуют на­грузки от механизма подъема и опускания ковша. Этот механизм в зависимости от типа управления может быть канатным или ги­дравлическим. При канатном управлении ковш подвешен к раме в одной точке — в средней части поперечины. При гидравлическом управлении с одним гидроцилиндром его крепят в средней точке поперечины рамы, с двумя — по краям поперечной балки. Во всех случаях усилие в механизме подъема определяют аналогич-

Рисунок 14.38 Конструкция рамы скрепера и усилия, действую­щие на нее

ным образом. Для этого рассмотрим равновесие ковша (рисунок 14.38). Неизвестными являются усилия 2Р_ц в механизме подъема и ре­акции в шарнире крепления рамы к ковшу (точке D). Из суммы моментов относительно точки D определим

(14.127)

В случае наличия гидроцилиндров управления усилия в них равны Р_ц. На рисунке 18.4 показана конструкция рамы самоходного скрепера. Рама представляет собой две продольные упряжные тяги, к концам которых прикреплен ковш. В передней части эти тяги связаны поперечной балкой, выполненной из трубы. К сред­ней части поперечной балки приварена арка-хобот, на конце ко­торой размещено прицепное устройство. Расчетная схема такой рамы показана на рисунке 18.5. Неизвестными усилиями являются составляющие реакций в опорах О и В. Остальные усилия уже найдены. Учитывая, что одно из уравнений статики уже исполь­зовано для определения Р_ц, для отыскания шести неизвестных имеется всего пять уравнений, т. е. система один раз статически неопределима. Составим уравнение моментов относительно оси z₁:

.

Рисунок 14.39. Расчетная схема рамы скре­пера

Учтя симметрию приложения нагрузки, симметрию рамы и соотношение b1 = b2, находим

(14.128)

Проектируя все силы на вертикаль и учитывая, что R_Вz= R_Oz, получим

(14.129)

На реакции R_0у и R_Ву оказывают влияние только усилия, ле­жащие в плоскости рамы. Расчетная схема в этом случае будет иметь вид, показанный на рисунке 18.6, а. В этой схеме

R'_е = R_е соs γ; R '_k = R_k соs γ;

F'_k = F_k sin γ.

Основная система рамы показана на рисунке 14.40, б. Неизвестное усилие Х₁ определяют из канонического уравнения

Для определения коэффициентов уравнения на рисунок 14.40, в и г построены эпюры изгибающих моментов от Х₁ = 1 и внешних нагрузок:

где J₁ и J₂ —моменты инерции соответственно продольных и

поперечной балок.

Суммарная эпюра изгибающих моментов приведена на рисунке 14.40, д.

Таким образом, определены все усилия и реакции, действую­щие на раму, что позволяет найти напряжения во всех опасных сечениях. Это удобно сделать, построив эпюры соответствую­щих нагрузок (рисунок 2.41). Изгибающие моменты определяют в двух плоскостях: в плоскости рамы и из плоскости рамы.

Рисунок 14.40 - Расчет рамы скрепера:

а - заданная система; б - основная система; в и г — эпюры М ₁ и М_р. д - суммарная эпюра изгибающих моментов

Эпюры изгибающих моментов, действующих из плоскости рамы, строят обычными методами, например, изгибающий момент в се­чении 1—1 (рисунок 14.41, а) определяют по зависимости

Действию крутящих моментов подвержена поперечная балка (рисунок 14.41, б). Этот момент найдем из выражения

Для построения эпюры растягивающих усилий (рисунок 2.41, г) спроектируем действующие нагрузки на направление участка балки. Опасными сечениями являются узлы соединения продоль­ных тяг с поперечной балкой, средняя точка поперечной балки, арка-хобот. Нормальные напряжения в точках сечения определяют по формуле (10.3) с учетом стесненного кручения (14.4), а каса­тельные— по формулам (10.6) или (13.3).

Следует обратить внимание па то, что в некоторых расчетных положениях, например при анализе поворота скрепера, в сцепном устройстве возникает боковое усилие. В этом случае решение статически неопределимой системы должно выполняться с уче­том бокового усилия. Арка-хобот при таком загружении, кроме момента из плоскости рамы, будет нагружена моментом, действую­щим в плоскости рамы.

Принцип определения силовых факторов аналогичен рассмо­тренному.

Рисунок 14.41 - Эпюры нагрузок в раме скрепера:

а и б — изгибающие моменты в вертикальной и боковой плоскостях, в — крутящие моменты; г — растягивающие усилия