Материал: Усовершенствование экскаватора-погрузчика JCB 4 CX

Высота разгрузки ковша Нр - наибольшее расстояние от опорной поверхности до режущей кромки основного ковша при максимальном угле разгрузки и полностью погруженных грунтозацепах для гусеничных машин или номинальном давлении в шинах для колесных машин.

Высоту разгрузки выбирают в зависимости от типоразмера и транспортных средств, с которыми предназначен работать погрузчик. Для строительных одноковшовых погрузчиков она регламентируется техусловиями.

Для типоразмеров погрузчиков, не предусмотренных этими техусловиями, высоту разгрузки определяют по формуле:

, мм

Где hт - наибольшая высота бортов транспортных средств, с которыми может работать погрузчик;

hр - дополнительный зазор, выбираемый с учетом опрокидывания ковша и работы на неподготовленном основании и равный 300...500 мм.

Вылет рабочего органа L - расстояние от передних выступающих частей базового трактора до режущей кромки ковша, находящегося на максимальной высоте при наибольшем угле разгрузки.

, мм

Где Вт - ширина кузова наиболее тяжелого транспортного средства, с которым предназначен работать погрузчик;

b - расстояние между погрузчиком и транспортным средством при разгрузке, необходимое по условиям безопасности работы и равное 150-200 мм.

Угол запрокидывания ковша в нижнем положении и угол разгрузки в верхнем положении выбираются по ГОСТ 12568-67. Рекомендуемая величина угла запрокидывания при нижнем положении стрелы 42¸46°. При подъеме допускается дальнейшее запрокидывание ковша до 15°. Разгружать ковш можно при любой высоте стрелы, включая нижнее положение. Угол разгрузки основного ковша при промежуточных значениях высот должен быть не менее 45°.

1.11 Определение усилий в исполнительных гидроцилиндрах погрузчика

Усилия на штоках исполнительных гидроцилиндров определяются в установившемся режиме работы по величинам наибольшего выглубляющего усилия Nв - для гидроцилиндров ковша и подъемного усилия Nп - для гидроцилиндров стрелы, приложенных на режущей кромке ковша в положении внедрения. Усилие на штоке одного гидроцилиндра ковша :

где Gк - вес ковша; nп - количества гидроцилиндров поворота ковша;п и iк - мгновенные передаточные числа механизма погрузочного оборудования, определяемые соотношением плеч рычажной системы, для силы Nв и силы тяжести ковша Gк; k1 - коэффициент запаса, учитывающий потери в гидроцилиндрах и шарнирах (принимают равным 1.25).

Мгновенные передаточные отношения механизма вычисляют для положения ковша, соответствующего внедрению в материал /13/:

где li - плечи приложения сил в нагруженных элементах механизма.

; .

Рис.1.11 Схема для определения усилий гидроцилиндров погрузочного оборудования

Усилия, реализуемые гидроцилиндрами стрелы, зависят от кинематической схемы погрузочного оборудования.

При кинематической схеме механизма с перекрестной системой усилия в одном гидроцилиндре стрелы определяются по формуле:

где Gр - вес погрузочного оборудования без портала;  - усилие гидроцилиндра ковша без учета коэффициента запаса; nn и nc - количество гидроцилиндров поворота ковша и подъема стрелы; k2 - коэффициент запаса, учитывающий потери в шарнирах и гидроцилиндрах и равный 1.25; l3, l4, l10 - плечи сил.

Для экскаваторного оборудования

При копании рукоятью

Рис. 1.12. - Схема усилий при копании рукоятью

Из условия выбираем Р1=38,3 кН

Наибольшее реактивное усилие в цилиндре рукояти будет возникать в положении 11

При копании ковшом

Рис. 1.13 Схема усилий при копании ковшом

Усилие на режущей кромке ковша будет максимальным в положении 3, т.к

В этом положении максимальное плечо гидроцилиндра.

В качестве гидропривода ковша экскаватора-погрузчика используют такие же гидроцилиндры что для рукояти с одинаковым усилием на штоке.

Реактивное усилие в гидроцилиндрах стрелы

1.12. Прочностной расчет

1.12.1 Прочностной расчет стрелы

Воспользовавшись методом плана сил, мы определили значение и направление силы Р1 = 790.6 кН.

Рис. 1.14 - План сил возникающих в стреле

Выполним проверку:

ΣFx = 0;

ΣFy = 0;

ΣFx = 0

Р4 = 555.1 · cos 54º = -324 кН;

Р3 = 492.5 · cos 51.5º = 308.6 кН;

Р2 = 824.6 · cos 47º = -560 кН;

Р1 = 790.6 · cos 43.5º= 575.4 кН.

.6 - 324 + 575.4 - 560 = 0

ΣFy = 0

Р4 = 555.1 · cos36º = -448 кН;

Р3 = 492.5 · cos 38.5º = 387 кН;

Р2 = 824.6 · cos 43º = 604 кН;

Р1 = 790.6 · cos 46.5º = -543 кН;

Исходные данные для расчета стрелы:

Р1 = 790.6 кН;

Р2 = 824.6 кН;

Р3 = 492.5 кН;

Р4 = 555.1 кН;

Р1X = 790.6∙ cos 20º = 742.9 кН;

Р1Y = 790.6∙ cos 80º = 137.28 кН;

Р2X = 824.6 ∙ cos 85.5º = 800 кН;

Р2Y = 824.5 ∙ cos 4.5º = 199.48 кН;

Р3X = 492.5 ∙ cos 4º = 491.3 кН;

Р3Y = 492.5 ∙ cos 86º = 34.3 кН;

Р4X = 555.1 ∙ cos 7.5º = 550.3 кН;

Р4Y = 555.1 ∙ cos 82.5º = 72.45 кН;

М1 = 492.5∙ 0.422 = 207.8 кНм;

q1 = 5.36 кНм - распределенная нагрузка от веса стрелы (для второго участка);

q2 = 8.99кНм - распределенная нагрузка от веса стрелы (для второго участка);

1.12.2 Произведем расчет пальцев проушин стрелы

Расчет пальца проушины стрелы для крепления рукояти

Расчет производится на срез и изгиб.

Исходные данные:

DПАЛ = 75 мм - диаметр пальца;

LПАЛ = 376 мм - длина пальца (определяется исходя из ширины рукояти);

Определим площадь сечения пальца, мм2:

А ПАЛ = 0.785 ∙ d2 = 0.785 ∙ 752 = 4415.625 мм2

Определим момент осевой сопротивления пальца, мм3:

W ПАЛ = 0.785 ∙ r3 = 0.785 ∙ 37.53 = 41396.48 мм3

Зная значение усилия в шарнире стрелы РРУК = 555.1 кН, определим τПАЛ, МПа:

τПАЛ = Ррук / 2∙ А ПАЛ = 555100 / 2∙ 4415.625 = 62.85 МПа

Определим напряжение возникающие в пальце стрелы, МПа:

σПАЛ = Ррук ∙ L ПАЛ /2 ∙ 2 ∙ W ПАЛ = 1260 МПа

В качестве материала пальца используем сталь 40ХН σтек = 1450 МПа (термообработка - закалка и средний отпуск). Напряжение в пальце от среза и изгиба не превышает допустимых. Напряжение среза и изгиба действуют в разных местах (изгиб - по середине пальца, срез - сбоку от проушины, поэтому напряжения действуют совместно.)

Расчет пальца проушины стрелы для крепления гидроцилиндра рукояти:

Расчет производится на срез и изгиб.

Исходные данные:

DПАЛ = 70 мм - диаметр пальца;

LПАЛ = 236 мм - длина пальца;

Определим площадь сечения пальца, мм2:

А ПАЛ = 0.785 ∙ d2 = 0.785 ∙ 702 = 3846.5 мм2

Определим момент осевой сопротивления пальца, мм3:

W ПАЛ = 0.785 ∙ r3 = 0.785 ∙ 353 = 33656.875 мм3

Зная значение усилия гидроцилиндра стрелы РГЦР = 492.5 кН, определим τПАЛ, МПа:

τПАЛ = Ргцр / 2∙ А ПАЛ = 492500 / 2∙ 3846.5 = 64 МПа

Определим напряжение возникающие в пальце рукояти, МПа:

σПАЛ = Ргцр ∙ L ПАЛ /2 ∙ 2 ∙ W ПАЛ = 702 МПа

В качестве материала пальца используем сталь 40Х σтек = 900 МПа (термообработка - закалка и средний отпуск). Напряжение в пальце от среза и изгиба не превышает допустимых. Напряжение среза и изгиба действуют в разных местах (изгиб - по середине пальца, срез - сбоку от проушины, поэтому напряжения действуют совместно.)

Расчет пальца проушины стрелы для крепления гидроцилиндра стрелы:

Расчет производится на срез и изгиб.

Исходные данные:

DПАЛ = 120 мм - диаметр пальца;

LПАЛ = 376 мм - длина пальца (определяется исходя из ширины стрелы);

Определим площадь сечения пальца, мм2:

А ПАЛ = 0.785 ∙ d2 = 0.785 ∙ 1202 = 11304 мм2

Определим момент осевой сопротивления пальца, мм3:

W ПАЛ = 0.785 ∙ r3 = 0.785 ∙ 603 = 169560 мм3

Зная значение усилия гидроцилиндра стрелы РСТР = 824.6 кН, определим τПАЛ, МПа:

τПАЛ = Рстр / 2∙ А ПАЛ = 824600 / 2∙ 11304 = 36 МПа

Определим напряжение возникающие в пальце стрелы, МПа:

σПАЛ = Рстр ∙ L ПАЛ /2 ∙ 2 ∙ W ПАЛ = 457 МПа

В качестве материала пальца используем сталь 40Х σтек = 900 МПа (термообработка - закалка и средний отпуск). Напряжение в пальце от среза и изгиба не превышает допустимых. Напряжение среза и изгиба действуют в разных местах (изгиб - по середине пальца, срез - сбоку от проушины, поэтому напряжения действуют совместно.)

Расчет пальца проушины для крепления стрелы к базе экскаватора:

Расчет производится на срез и изгиб.

Исходные данные:

DПАЛ = 120 мм - диаметр пальца;

LПАЛ = 595 мм - длина пальца (определяется исходя из ширины стрелы);

Определим площадь сечения пальца, мм2:

А ПАЛ = 0.785 ∙ d2 = 0.785 ∙ 1202 = 11304 мм2

Определим момент осевой сопротивления пальца, мм3:

W ПАЛ = 0.785 ∙ r3 = 0.785 ∙ 603 = 169560 мм3

Зная значение усилия в шарнире стрелы РБ = 790.6 кН, определим τПАЛ, МПа:

τПАЛ = Рб / 2∙ А ПАЛ = 790600 / 2∙ 11304 = 34.9 МПа

Определим напряжение возникающие в пальце стрелы, МПа:

σПАЛ = Рб ∙ L ПАЛ /2 ∙ 2 ∙ W ПАЛ = 693.5 МПа

В качестве материала пальца используем сталь 40Х σтек = 900 МПа (термообработка - закалка и средний отпуск). Напряжение в пальце от среза и изгиба не превышает допустимых. Напряжение среза и изгиба действуют в разных местах (изгиб - по середине пальца, срез - сбоку от проушины, поэтому напряжения действуют совместно.)

Определим сечение стрелы в шарнире соединения стрелы с гидроцилиндром стрелы

Определим размеры поперечного сечения стрелы. Рассмотрим сечение, его геометрические характеристики, размеры сечения, исходя из условий прочности.

. F1 = b ∙ (H - h) = 0.298 ∙ (0.200 - 0.120) = 0.02384 м2

X1 = b / 2 = 0.149 м

Y1 = H / 2 = 0.1 м

F2 = Bh+2b ∙ (H - h) = 0.340 ∙ 0.023 + 2 ∙ 0.021 ∙ (0.1675 - 0.023) =

= 0.013889 м2

X1 = B / 2 = 0.17 м

Y1 = Bh2+2b ∙ (H2 - h2) / 2(Bh+2b ∙ (H - h)) = 0.0483 м

Y1' = H - Y1 = 0.1192 м

F3 = Bh+2b ∙ (H - h) = 0.340 ∙ 0.023 + 2 ∙ 0.021 ∙ (0.1675 - 0.023) =

= 0.013889 м2

X1 = B / 2 = 0.17 м

Y1 = Bh2+2b ∙ (H2 - h2) / 2(Bh+2b ∙ (H - h)) = 0.0483 м

Y1' = H - Y1 = 0.1192 м

Определим моменты инерции сечения в отдельности и всего сечения в целом:

. JX1 = b / 12 ∙ (H3 - h3) = 0.298 / 12 ∙ (0.23 - 0.123) = 0.000155754 м4

. JX2 = Bh3 + 2 b ∙ (H - h) 3/ 12 + Bh(Y1 - h/2) 2 + 2 b ∙ (H - h) (H - h / 2 + h - Y1)= = 0.000306433 м4

. JX3 = Bh3 + 2 b ∙ (H - h) 3/ 12 + Bh(Y1 - h/2) 2 + 2 b ∙ (H - h) (H - h / 2 + h - Y1)= = 0.000306433 м4

Учитывая поправку Штейнера получим:

JX2 + ( y2)2 F2 = 0.000446 м4

JX3 + ( y3)2 F3 = 0.000446 м4

JX общ =∑JXi = 0.00105 м4

Определим момент сопротивления относительно нейтральной линии:

W = JX общ / YC = 0.00461 м3

Определим напряжения возникающие в сечение:

σ max= Mизг /W = 73.18 МПа,

где Мизг = 337.4 кНм

τ = Q / ∑Fст = 31.5 МПа,

где Q = 49.6 кН;

∑Fст = 0.0015918 м2

σ = N /Fвсего сечения = 1.1 МПа,

где N = 57.1 кН;

Fвсего сечения = 0.051618 м2

σ ЭКВ = = 74.3 МПа

Определим сечение стрелы в шарнире соединения стрелы с базой экскаватора

Определим размеры поперечного сечения стрелы Рассмотрим сечение, его геометрические характеристики, размеры сечения, исходя из условий прочности.

. F1 = b ∙ (H - h) = 0.595 ∙ (0.234 - 0.120) = 0.06783 м2

X1 = b / 2 = 0.2975 м

Y1 = H / 2 = 0.117 м

Определим момент инерции сечения:

JX1 = b / 12 ∙ (H3 - h3) = 0.595 / 12 ∙ (0. 2343 - 0. 1203) = 0.0005536 м4

Определим момент сопротивления относительно нейтральной линии:

W = b / 6Н ∙ (H3 - h3) =0.00469 м3

Определим напряжения возникающие в сечение:

σ = N /Fвсего сечения = 10.9 МПа,

где N = 742.9 кН;

Fвсего сечения = 0.06783 м2

σ ЭКВ = = 10.9 МПа

Определим сечение стрелы в шарнире соединения стрелы с рукоятью.

Определим размеры поперечного сечения стрелы. Рассмотрим сечение, его геометрические характеристики, размеры сечения, исходя из условий прочности.

F = hb = 0.067 ∙ 0.064 = 0.004288 м2

X1 = b / 2 = 0.032 м

Y1 = h / 2 = 0.0335 м

Определим моменты инерции сечения в отдельности и всего сечения в целом:

Учитывая поправку Штейнера получим JX :

JX = (b h3 / 12+ F ∙ (y) 2) ∙ 4 = 0.000352268 м4

Определим момент сопротивления относительно нейтральной линии:

W = JX / YC = 0.0033709 м3

Определим напряжения возникающие в сечение:

τ = Q / ∑Fст = 7.23 МПа,

где Q = 124 кН;

∑Fст = 0.017152 м2

σ = N /Fвсего сечения = 27.05 МПа,

где N = 463.9 кН;

Fвсего сечения = 0.017152 м2

σ ЭКВ = = 29.8 МПа

По окончанию расчетов рукояти, стрелы и ковша примем сталь марки 09Г2С ГОСТ 19282-73 с пределом текучести 305 МПа, которая рекомендуется в «РД 2201…86» для проектирования металлоконструкции экскаватора.

Расчет привода рабочего оборудования

Исходные данные:

Усилия на штоке гидроцилиндров

Погрузочное оборудование

Sк=12,09 кН

Sс=49,93 кН

Экскаваторное оборудование

Sк=90,9 кН

Sс=204,5 кН

Sр=90,9 кН

Номинальное давление в системе 16 МПа

V- скорость перемещения штоков

V=0,08 м/c

Выбор гидроцилиндров

Гидроцилиндры выбирают по величине хода и диаметру поршней. Ход определяют из кинематики РО машины

Выбираю (из методички по гидроприводам)

Диаметр г-ра определяю по формуле:

,

Где F - усилие г-ра на штоке, Н

Pном - номинальное давление в системе

Погрузочное оборудование

Dк=34мм

Выбираю цилиндры:

Dк=80мм

dк=56мм

ход штока - 400мм

Dс=68мм

Выбираю цилиндры:

Dс=80мм

Dс=56мм

ход штока - 630мм

Экскаваторное оборудование

Dк=92мм

Выбираю цилиндры:

Dк=110мм

Dк=70мм

ход штока - 900мм

У ковша и рукояти одинаковые цилиндры, поэтому:

Dр=92мм

Выбираю цилиндры:

Dр=110мм

Dр=70мм

ход штока - 900мм

Dс=138мм

Выбираю цилиндры:

Dс=140мм

Dс=80мм

ход штока - 900мм

Расчет мощности и подачи насосов

Мощность насоса определяется по формуле:

F - усилия на штоках одновременно работающих гидроцилиндров, Н

V - скорость выдвижения штока в м/c

 - гидромеханический КПД насоса и одновременно раб. цилиндров соответственно