Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра: «Автомобиле — и тракторостроение»
Расчет автогрейдеров
Выполнил:
студент группы АТФ-3С
Бондарев И.Ю.
Проверил:
Шевчук В.П.
Волгоград 2010 г.
Теоретическая часть
К главным и основным параметрам автогрейдеров относятся: масса автогрейдера та, удельная мощность/>, высота отвала с ножом (Но), длина отвала без удлинителя Lo, скорости движения, высота подъема отвала в транспортное положение h, угол резания />, боковой вынос отвала l, заглубление (опускание) отвала ниже опорной поверхности hГ; колесная формула; угол для срезания откосов /> между опорной поверхностью и режущей кромкой отвала, вынесенного за пределы основной рамы и наклоненного так, что один край режущей кромки находится на опорной поверхности, а другой максимально поднят (/> = 0… 80°); угол наклона отвала /> или угол зарезания, аналогичен />, но определяется при положении отвала, симметричного оси автогрейдера (/> = 0… .30°); угол захвата /> (рис. 2.4.3.1)—угол в плане между режущей кромкой отвала и осью автогрейдера (/> = 0±90°); при вырезании грунта /> = 30…40°; при перемещении /> = 60…75°, при планировке /> = 90°.
Радиус кривизны отвала (рис. 1, б)
/>,
где /> — угол опрокидывания отвала, во избежание пересыпания грунта за отвал />=65… 75°; при установке отвала
/>,
где />— центральный угол, град.
Производительность. При постройке насыпи из боковых резервов производительность (м3/ч)
/>(1)
где V — объем грунта, перемещаемого за один проход, м3
/>(2)
/>=1,8…2,0 — коэффициент наполнения; />=30…40° — угол естественного откоса; />—продолжительность цикла, с;
/>
/>, />, />и />, />, />— длина пути (м) и скорость (м/с) соответственно резания, перемещения и обратного (холостого) хода; />— время на переключение передач, с; />=5 с; t— время на опускание и подъем отвала, с; to=1,5… 2,5 с; />— время поворота в конце участка, с; />— коэффициент разрыхления грунта. Тяговые сопротивления и тяговый расчет. Различают два режима работы автогрейдера: рабочий и транспортный. Для первого характерны большие тяговые сопротивления и малые скорости движения, а для второго при движении с поднятым отвалом—большие скорости движения и сравнительно малые тяговые усилия.
При рабочем режиме общее тяговое сопротивление (кН)
/>,(3)
где />— сопротивления соответственно резанию грунта, трению ножа о грунт, перемещению призмы волочения по грунту, перемещению грунта вдоль отвала, перемещению грунта вверх по отвалу, перемещению автогрейдера на колесах, преодолению уклона пути и разгона автогрейдера до установившейся рабочей скорости, кН; />;/>— соответственно суммарные сопротивления копанию и перемещению, кН. Сопротивление (кН) резанию грунта
/>,(4)
где /> — удельное сопротивление грунта резанию ножом, кН/м2: SC проекция площади поперечного сечения стружки грунта на плоскость, перпендикулярную к направлению движения автогрейдера, м2; при угле захвата />=90° и /> = 0 (отвал горизонтален) соответственно (м2)
Sc= Lohpи />;(5)
Lo — в м; hглубина резания, м.
При резании половиной длины отвала
/>
где все линейные размеры — в м.
Сопротивление (кН) трению ножа о грунт.
/>,(6)
где />— вертикальная составляющая суммарного усилия, действующего на нож, зависящая от типа автогрейдера, положения ножа внутри базы, угла захвата и определяемая из общей схемы сил, действующих на автогрейдер, кН. Для ориентировочных предварительных расчетов при колесных схемах 1/>2/>3, 1/>1/>2, 1/>3/>3 для легких автогрейдеров />=2,5… 40,0 кН, средних />=40… 60 кН, тяжелых />=60… 80 кН;fc— коэффициент трения стали о грунт.–PAGE_BREAK–
Сопротивление (кН) перемещению призмы волочения
/>, (7)
где />—вес призмы волочения, кН; /> —удельный вес грунта, кН/м3; />— коэффициент разрыхления грунта; />— угол трения грунта о грунт.
Сопротивление (кН) перемещению грунта вдоль отвала
/>(8)
и вверх по нему
/>,(9)
где /> — сила перемещения призмы волочения, нормальная в плане к отвалу, кН; />— сила трения грунта при движении вдоль отвала.
Общее сопротивление копанию грунта автогрейдером (кН)
/>
Сопротивление перемещению автогрейдера (кН)
/>,
где />—суммарный коэффициент сопротивления качению колес;
/>— суммарная нормальная реакция на все колеса, кН; /> — масса автогрейдера, кг; g=9,81 м/с2; />— угол наклона поверхности движения к горизонту, град.
При />
при />>10° />
Сопротивление F8(кН) определяют как силу инерции при разгоне
/>(10)
где />— масса автогрейдера и грунта в призме волочения, кг; vp— рабочая скорость движения, м/с; tP— время разгона, с; />=3… 5 с. ‘
Сила сцепления автогрейдера (кН)
/>,
где /> — характеристика развески колес по осям автогрейдера; е=1 при схеме 3/>3/>3, 1/>3/>3, 2/>2/>2 и />=0,7…0,75 при схеме 1/>1/>2 и 1/>2/>3; Gа — полный конструктивный вес, кН.
Номинальная сила тяги по сцеплению (кН), соответствующая 20% коэффициента буксования, при котором тяговая мощность близка к максимальной,
/>
Условия возможности рабочего движения по сцеплению />
При движении с установившейся рабочей скоростью (F8=0)возможную максимальную площадь сечения вырезаемой стружки Sc (м2) определяют из уравнения
/>,
где левая часть уравнения представляет собой свободное тяговое усилие, которое реализуется непосредственно для копания. При разработке автогрейдером выемки площадью поперечного сечения SK(м2) необходимое число проходов
/>
где />— коэффициент, учитывающий неравномерность сечения стружки при отдельных проходах; />= 1,30… 1,35; Sc — по уравнению (5).
При транспортном режиме общее тяговое сопротивление (кН)
/>
где F9— сопротивление воздуха, кН; F8 — по формуле (10), кН.
Сопротивление воздуха (кН)
/>
где k— коэффициент обтекаемости;
k0 =0,6…0,7 Н-с2/м4; />— лобовая площадь, м2;
/>; vT— установившаяся транспортная скорость, км/ч.
Мощность двигателя.
На первой рабочей скорости при режиме максимальной тяговой мощности с учетом коэффициента буксования 6 = 20% двигатель должен работать на режиме максимальной мощности (кВт)
/>,(11)
где Ga — в кН; vp— в м/ч; />— общий КПД трансмиссии, kBЫX— коэффициент выходной мощности двигателя; kBЫX=0,9; ko— коэффициент, учитывающий отбор мощности на привод вспомогательных механизмов (подъем отвала и др.);. ko =0,75.… 0,90.
Мощность (кВт) при передвижении на максимальной транспортной скорости vт max
/>,(12)
гдеGaи F9— в кН; />—в м/ч. продолжение
–PAGE_BREAK–
По наибольшему значению N [формулы (11) и (12)] с коэффициентом запаса />= 1,2… 1,4 подбирают двигатель.
/>
/>
Рис. 2.4.3.1. Схема к расчету автогрейдера в рабочем режиме (а) и его отвала (б)
Внешние силы и реакции, действующие на автогрейдер. Рассмотрим внешние силы и реакции на примере наиболее распространенного автогрейдера с колесной схемой 1/>2/>3 при копании грунта (рис. 1, а). На автогрейдер действуют активные силы: Ga— вес автогрейдера (кН), силы тяги на ведущих колесах Рк2и Рк3. Реактивные силы — суммарные нормальные составляющие реакции на передние R1и задние R’2и R’zколеса, суммарные касательные составляющие на те же колеса foR1, foR’2и foR’Z(сопротивления движению колес), составляющие реакции, действующие на отвал, Rx, Ryи Rz, боковые горизонтальные реакции F’1F’2, F’3и F1.
При рассмотрении этой системы сил сделаны следующие допущения: пренебрегли смещением реакций R1R’2и R’3вследствие деформации шин, то есть />/>/>, так как они малы по сравнению с длиной базы L’a; реакции fR1, fQR2, fR’3, F1, F’2и F’Z, силы />и />расположены в одной плоскости на уровне опорной линии колес; составляющие реакций грунта Rx, Ry, Rzприложены к переднему концу отвала параллельно соответствующим осям координат; на режиме максимальной тяговой мощности />/>; вертикальные составляющие реакций на правые и левые колеса соответствующих осей равны между собой; 2R2’+ 2R3’= R2, которая приложена на оси подвески заднего балансира по оси автогрейдера, соответственно 2foR’2+2foR’3= foR2; общая сила тяги на ведущих колесах />и приложена по оси автогрейдера; боковые реакции на задние оси F2’/>=3’ и F2’+F’3=F’1 продолжение
–PAGE_BREAK–
Рассматривая отвал как косой клин, можно найти соотношения между составляющими реакции грунта, действующими на отвал
/>/>
где x1и х2 определяются по теории косого клина; в среднем x1=0,15…0,20; х2=0,3…0,4.
Считая, что автогрейдер находится в равновесии под действием системы сил и реакций, показанной на рисунке 2.4.3.1, а, можно найти силы и реакции из шести уравнений равновесия относительно пространственной системы координат xyz. Начало координат в точкеО
/>
Совместным решением этих уравнений определяют реакции Rx, Ry, Rz, R1, R2, F’1и F1 Возможность реализации тягового усилия Ркпроверяют по условию сцепления.
Порядок выполнения работы
Исходные данные
Параметры
индекс машины
ГС-10.01
Класс
100
Двигатель:
модель
Д-243
мощность, кВт
58,7
Тип трансмиссии
механическа
Скорость движения вперед/назад, км/ч
2…35/
4,2…9,4
Колесная формула
1x2x2
База, мм
4200
Колея колес передних/задних, мм
1800/1770
Дорожный просвет, мм
300
Радиус поворота, мм
4750
Тип рамы
ШСР*
Угол складывания шарнирно-сочлененной рамы, град
н/д
Смещение колес переднего моста, мм
н/д
Угол наклона передних колес, град
20
Рабочее оборудование:
грейдерный отвал:
размеры (длина х высота), мм
2730 х 470
максимальное заглубление, мм
100
угол резания регулируемый, град
30…70
угол поворота в плане, град
± 45
боковой вынос, мм
600/400
угол обрабатываемого откоса, град
—
бульдозерный отвал:
размеры (длина х высота), мм
2440 х 625
максимальное заглубление, мм
50
кирковщик (рыхлитель):
число зубьев
–
ширина киркования, мм
–
наибольшая глубина рыхления, мм
–
Габаритные размеры, мм
7140х2400х3220
Масса эксплуатационная, кг
7500
Изготовитель
ОАО «Брянский арсенал»
/>между опорной поверхностью и режущей кромкой отвала, вынесенного за пределы основной рамы и наклоненного так, что один край режущей кромки находится на опорной поверхности, а другой максимально поднят (/> = 0… 80°); угол наклона отвала /> или угол зарезания, аналогичен />, но определяется при положении отвала, симметричного оси автогрейдера (/> = 0… .30°); угол захвата /> — угол в плане между режущей кромкой отвала и осью автогрейдера (/> = 0±90°); при вырезании грунта /> = 30…40°; при перемещении /> = 60…75°, при планировке /> = 90°. продолжение
–PAGE_BREAK–
Радиус кривизны отвала (рис. 1, б):
/>(м),
где /> — угол опрокидывания отвала, во избежание пересыпания грунта за отвал />=65… 75°; при установке отвала />, где />— центральный угол, град.
Производительность. При постройке насыпи из боковых резервов производительность будет равна:
/>(1)
где V — объем грунта, перемещаемого за один проход, м3
/>(2)
/>=1,8…2,0 — коэффициент наполнения; />=30…40° — угол естественного откоса; /> —продолжительность цикла, с;
/>(с)
/>, />, />и />, />, />— длина пути (м) и скорость (м/с) соответственно резания, перемещения и обратного (холостого) хода; />— время на переключение передач, с; />=5 с; t— время на опускание и подъем отвала, с; to=1,5… 2,5 с; />— время поворота в конце участка, с; />— коэффициент разрыхления грунта.
Тяговые сопротивления и тяговый расчет
Различают два режима работы автогрейдера: рабочий и транспортный. Для первого характерны большие тяговые сопротивления и малые скорости движения, а для второго при движении с поднятым отвалом—большие скорости движения и сравнительно малые тяговые усилия.
При рабочем режиме общее тяговое сопротивление (кН)
/>,(3)
где />— сопротивления соответственно резанию грунта, трению ножа о грунт, перемещению призмы волочения по грунту, перемещению грунта вдоль отвала, перемещению грунта вверх по отвалу, перемещению автогрейдера на колесах, преодолению уклона пути и разгона автогрейдера до установившейся рабочей скорости, кН; />;/>— соответственно суммарные сопротивления копанию и перемещению, кН.
Сопротивление (кН) резанию грунта
/>(кН)(4)
где /> — удельное сопротивление грунта резанию ножом, кН/м2: SC проекция площади поперечного сечения стружки грунта на плоскость, перпендикулярную к направлению движения автогрейдера, м2; при угле захвата />=90° и /> = 0 (отвал горизонтален) соответственно (м2)
Sc= Lohp=3,7*0,05=0,2 (м2)
/>;(5)
Lo — в м; hглубина резания, м.
Сопротивление (кН) трению ножа о грунт.
/>(кН)(6)
де />— вертикальная составляющая суммарного усилия, действующего на нож, зависящая от типа автогрейдера, положения ножа внутри базы, угла захвата и определяемая из общей схемы сил, действующих на автогрейдер, кН. Для ориентировочных предварительных расчетов при колесных схемах 1/>2/>3, 1/>1/>2, 1/>3/>3 для легких автогрейдеров />=2,5… 40,0 кН, средних />=40… 60 кН, тяжелых />=60… 80 кН;fc— коэффициент трения стали о грунт, который подбирается по таблице 1.
Таблица 1. Коэффициент трения грунта о поверхность ножа (полированная сталь)
Состояние грунта
Глина
Песчаник
Песчано-глинистый
Глинистый перегной
Влажный
0,43-0,48
0,79-0,82
0,63-0,78
0,45-0,52
Сухой
0,33-0,41
0,38-0,55
0,36-0,5
0,350,43
Сопротивление (кН) перемещению призмы волочения:
/>(кН), (7)
где /> —вес призмы волочения, кН;
Сопротивление (кН) перемещению грунта вдоль отвала
/>(кН) (8)
и вверх по нему
/>кН) (9)
где /> — сила перемещения призмы волочения, нормальная в плане к отвалу, кН; />— сила трения грунта при движении вдоль отвала.
Общее сопротивление копанию грунта автогрейдером (кН)
/>(кН) продолжение
–PAGE_BREAK–
Сопротивление перемещению автогрейдера (кН)
/>,(кН)
где />—суммарный коэффициент сопротивления качению колес;
/>— суммарная нормальная реакция на все колеса, кН; /> — масса автогрейдера, кг; g=9,81 м/с2; />— угол наклона поверхности движения к горизонту, град.
При />
при />>10° />
Сопротивление F8(кН) определяют как силу инерции при разгоне
/>(кН)(10)
где />— масса автогрейдера и грунта в призме волочения, кг; vp— рабочая скорость движения, м/с; tP— время разгона, с; />=3… 5 с. ‘
Сила сцепления автогрейдера (кН)
/>(кН)
где /> — характеристика развески колес по осям автогрейдера; е=1 при схеме 3/>3/>3, 1/>3/>3, 2/>2/>2 и />=0,7…0,75 при схеме 1/>1/>2 и 1/>2/>3; Gа — полный конструктивный вес, кН.
Номинальная сила тяги по сцеплению (кН), соответствующая 20% коэффициента буксования, при котором тяговая мощность близка к максимальной,
/>(кН)
Условия возможности рабочего движения по сцеплению />
При движении с установившейся рабочей скоростью (F8=0)возможную максимальную площадь сечения вырезаемой стружки Sc (м2) определяют из уравнения
/>
5,3-0,01=28*0,1
где левая часть уравнения представляет собой свободное тяговое усилие, которое реализуется непосредственно для копания. При разработке автогрейдером выемки площадью поперечного сечения SK(м2) необходимое число проходов
/>
где />— коэффициент, учитывающий неравномерность сечения стружки при отдельных проходах; />= 1,30… 1,35; Sc — по уравнению (5).
При транспортном режиме общее тяговое сопротивление (кН)
/>(кН)
где F9— сопротивление воздуха, кН; F8 — по формуле (10), кН.
Сопротивление воздуха (кН)
/>(кН)
где k— коэффициент обтекаемости; k0 =0,6…0,7 Н-с2/м4; />— лобовая площадь, м2; />; vT— установившаяся транспортная скорость, км/ч.
Мощность двигателя. На первой рабочей скорости при режиме максимальной тяговой мощности с учетом коэффициента буксования 6 = 20% двигатель должен работать на режиме максимальной мощности (кВт)
/>,(кВт)(11)
где Ga — в кН; vp— в м/ч; />— общий КПД трансмиссии, kBЫX— коэффициент выходной мощности двигателя; kBЫX=0,9; ko— коэффициент, учитывающий отбор мощности на привод вспомогательных механизмов (подъем отвала и др.);. ko =0,75.… 0,90.
Мощность (кВт) при передвижении на максимальной транспортной скорости vт max
/>,(кВт)(12)
гдеGa и F9— в кН; />—в м/ч.
По наибольшему значению N [формулы (11) и (12)] с коэффициентом запаса />= 1,2… 1,4 подбирают двигатель
/>(кВт)