Металлическая конструкция одноковшового гидравлического экскаватора

Рассмотренные здесь основные положения проектиро­вания металлической конструкции одноковшового экска­ватора могут быть использованы для проектирования род­ственных кинематических конструкций: кранов-манипуля­торов, портальных кранов, телескопических подъемников и др. Несущие металлические конструкции этих машин состоят из трех основных частей: а) неповоротной части 1, опирающейся на фундамент или шасси, колесное или гусе­ничное; б) основания поворотной части 2 (платформы, кар­каса или колонны); в) стреловой системы 3 (рис. 17.14).

Устройство конструкции

Основанием гусеничного экскаватора является ходовая рама 1, на круговом фланце которой устанавливается опор­но-поворотный круг, а на ходовых балках 2 крепятся кат­ки и ролики гусениц (рис. 17.15). На поворотный круг опи­рается платформа поворотной части, включающая опор-

Рис. 17.14. Схемы металлических конструкций стреловых машин: а — одноковшовый гидравлический экскаватор: б — портальный кран; в — стреловой самоходный кран

Рис. 17.15. Схемы остова одноковшового гидравлического экс­каватора

ный лист, каркас 3 и заднюю консоль 4, служащую для установки противовеса. На каркасе крепятся стрела 5 и гидроцилиндры 6. Со стрелой шарнирно соединена руко­ять 7, управляемая гидроцилиндром 8. На конце рукояти шарнирно закреплен ковш 9. Механизм поворота ковша включает гидроцилиндр 10 и рычажную систему 11.

Стреловая система гидравлического экскаватора имеет три степени подвижности, которые реализуются гидроци­линдрами 6, 8 и 10. Рычажный механизм 11 обеспечивает примерное постоянство усилий на зубьях ковша в широ­ком диапазоне углов поворота. Стреловая система являет­ся пространственной конструкцией, и ее элементы подвер­гаются изгибу в двух плоскостях и кручению. Поэтому для стрел и рукоятей всегда используют коробчатые сечения. Шарнирные соединения элементов конструкции выполня­ют на подшипниках скольжения. В необходимых случаях для снижения вредного влияния погрешностей изготовле­ния и упругих деформаций конструкции используют сфе­рические подшипники. Для повышения долговечности уз­лов крепления шарниров используют литые элементы, ко­торые ввариваются в листовую конструкцию (рис. 17.16)

Рис. 17.16. Шарнирные узлы с литыми элемен­тами: а — шарнир крепления гидроцилиндров к стреле; б — корневой шарнир стрелы

Ковш представляет собой листовую пространственную конструкцию. Шарнирные проушины 1 для крепления к рукояти связаны с коробчатым ригелем 2, который соединя­ет две щеки3 ковша (рис. 17.17). Жесткость передней кром­ки, воспринимающей нагрузки при резании грунта, обеспечивает усиленная окантовка 4. На нижней ее стороне имеются места для крепления зубьев.

Поворотная платформа закреплена на ходовой раме с помощью опорно-поворотного устройства (ОПУ), которое обычно представляет собой опорно-поворотный круг — спе­циальный крупногабаритный подшипник, воспринимающий осевые, радиальные и моментные нагрузки. Для более рав­номерного распределения нагрузок по телам качения ОПУ поворотная платформа должна иметь высокую жесткость

Рис. 17.17. Ковш экскаватора

Поэтому ее основой является толстый лист 1 (толщиной 30-50 мм), усиленный двумя продольными стенками 2, об­разующими каркас (рис. 17.18). В экскаваторах с большой емкостью ковша в основание платформы вваривают цилин­дрическую обечайку, которая обеспечивает распределение нагрузки по периметру ОПУ. На платформе размещаются также двигатель, гидрооборудование, кабина управления и пр. Для этого к продольным ребрам крепят поперечные кронштейны, которые увеличивают площадь платформы (на рис. 17.18 не показаны). Отверстия 3 в платформе слу­жат для установки механизма вращения и пропуска гидро­шлангов в ходовую раму для приводов передвижения. Че­рез отверстие 4 гидрошланги выводятся на стрелу.

Ходовая рама предназначена для восприятия нагрузки от ОПУ и передачи ее на гусеницы. В центре рамы распо-

ложена цилиндрическая обечайка с фланцем, на который устанавливается ОПУ (рис. 17.19). Обечайка связана крестообразной коробчатой конструкцией с ходовыми балками. Неопределенность условий опирания на грунт и знако­переменный характер нагрузок, передаваемых от поворот­ной части, требуют, чтобы ходовая рама имела высокие жесткость, прочность и сопротивление усталости.

Особенности расчета

Для расчета конструкции по условиям работоспособно­сти необходимо установить значения расчетных нагрузок и положения элементов конструкции, в которых возника­ют наибольшие напряжения [3]. В рамках I расчетного случая (п. 6.1) устанавливают нагрузки, соответствующие нормальной эксплуатации на наиболее тяжелых грунтах из тех, для которых предназначена машина (обычно грунты 4-й категории) и нормативный ресурс (объем грунта, переработанного за срок службы, например из расчета 1- 2 млн циклов работы). Комбинации нагрузок I расчетного случая могут быть следующие:

а — копание грунта с несимметричным приложением нагрузки к ковшу;

b— разгон или торможение механизма поворота с гру­женым ковшом.

Для расчета минимальных напряжений в стреле и руко­яти следует рассмотреть ситуацию, когда изгибающие мо­менты меняют знак. Так, если максимальные напряжения вычислены при внедрении ковша в грунт, то минимальные должны определяться при выгрузке грунта из ковша. Ме­тодика расчета на сопротивление усталости дана в гл. 10.

Нагрузки II расчетного случая соответствуют ситуаци­ям, при которых срабатывают предохранительные клапа­ны гидроцилиндров, происходит проскальзывание ходовой части или начинается отрыв ее от грунта. Кроме того, учи­тываются наибольший допустимый уклон основания, мак­симальные динамические нагрузки. Комбинации нагрузок II расчетного случая могут быть следующие (табл. 17.6):

Таблица 17.6 Нагрузки для расчета металлической конструкции экскаватора на проч­ность (СРДН, II расчетный случай ) Нагрузки и воздействия Комбинации нагрузок Па IIb Вес элементов машины . Сила сопротивления грунта копанию, вес груза Силы инерции тангенциальные - Уклон основания -

а — упор ковша в препятствие при копании грунта с несимметричным приложением нагрузки;

b— резкий разгон или торможение механизма поворо­та с ковшом, загруженным липким грунтом, на макси­мальном вылете (или упор ковша в препятствие при пово­роте).

К III расчетному случаю при необходимости можно от­нести нагрузки, возникающие в аварийных ситуациях, монтажные, сейсмические и пр. Эти нагрузки здесь не рас­сматриваются.

Расчет рукояти на прочность и местную устойчивость производят по комбинациям Па и ПЬ. В комбинации Па максимальный изгибающий момент в основном сечении рукояти возникает в таком положении, при котором она располагается перпендикулярно к оси гидроцилиндра 8 (см. рис. 17.15). Расчетную схему рукояти с ковшом изобразим в виде балки, опорами которой являются стреловой шар­нир 1 и упор ковша в препятствие в грунте (рис. 17.20, а). Максимальная нагрузка на ковш ограничивается наиболь­шим значением усилия гидроцилиндра (рис. 17.20, а), возникающего при срабатывании предохранительных клапанов. Если точка контакта с пре­пятствием располагается ближе к корневому шарниру ков­ша (это соответствует, например, упору боковой стенки ков­ша в препятствие), то нагрузка на цилиндр 3 снижается и определяющим является усилие .это состояние и рассмотрим в качестве расчетного

Рис. 17.20. Схемы действия сил на рукоять при комбинациях а (а) и b(б)

Максимальный изгибающий момент в рукояти в сечении А—А находится как , где динамический коэффициент. Задняя консоль рукояти яв­ляется балкой переменного сечения, поэтому при опреде­лении сечения А—А, в котором действуют наибольшие на­пряжения, следует учитывать рекомендации п. 13.2. Рас­чет на прочность производят с учетом нормальных напря­жений от изгиба и касательных — от перерезывающей силы

Справа от шарнира действуют тот же изгибающий моментперерезывающаясила и крутящий момент — ширина ковша; ак — расстояние от шарнира крепления ковша до точки приложения силы сопротивления грунта, например до центра ковша.

В комбинации bрассматривается ситуация, когда меха­низм поворота включается при расположении ковша, за­груженного липким грунтом, на максимальном вылете. При этом экскаватор находится на наклонном основании с бо­ковым уклоном 9. В данном случае опирание рукояти про­исходит на стреловой шарнир и гидроцилиндр, а нагрузка обусловлена весовыми и инерционными нагрузками на ковш (рис. 17.20, б). Расчетным является сечение Б—Б. На ковш действуют вертикальные силы от веса ковша с грузом и веса рукояти . Кроме того, возникают боковые силы (вдоль оси у) , которые скла­дываются из тангенциальных сил инерции масс ковша

Рис. 17.21. Расчетная схема стреловой системы (а) и график зависимости изгибающего момента Му от углов а и (3 (б)

с грузом и рукояти (п. 5.4.3), а также боковых сил от уклона основания .

Расчетная схема стрелы показана на рис. 17.21, а. Мак­симальная нагрузка на ковш при внедрении в грунт (F) находится как меньшее из двух значений: , вы­числяемого по условию срабатывания предохранительно­го клапана гидроцилиндра 1, и определяемого по предельному усилию гидроцилиндра 2. Может быть также рассмотрено третье предельное значение по усло­вию отрыва ходовой части от основания. При назначении предельных усилий в гидроцилиндрах следует учитывать, что в цилиндре 1 в рассматриваемой ситуации рабочей является штоковая полость, а в цилиндре 2 — поршневая. Кроме того, необходимо учитывать динамический коэффициент .

Для расчета стрелы на прочность по комбинации Па необходимо найти положение стреловой системы (углы и направление усилия на ковше (угол ф), при которых возникает максимальный изгибающий момент в сечении Г—Г . Алгоритм решения этой задачи при- веден в форме 17.1. График зависимости изгибающего момента при состоит из двух поверхно­стей (рис. 17.21, б, поверхности 1 и 2), которые соответ­ствуют расчетным усилиям F₁( ) и F₂( )- Кроме из­гибающего момента в расчетном сечении действуют перерезывающая и продоль­ная силы.

Комбинация нагрузок IIbреализуется при разгоне или торможении механизма вращения с груженым ковшом (см. выше). При этом также действуют весовые нагрузки и боковые силы (см. выше). Они создают в расчетном сечении Г—Г изгибающие момен­ты и крутящий момент ( ). Для определения максимального действующего эквивалентного напряжения (7.6) следует рассмотреть несколько положений стреловой системы. Может быть также рассмотрен случай упора ковша в препятствие при повороте башни.

Рис. 17.22. Расчетная схе­ма для определения опор­ных реакций стрелы

Поворотная платформа опирается на ОПУ и загружает­ся постоянными весовыми нагрузками от поворотной час

ти с противовесом и переменными нагрузками от стрело­вой системы и при работе механизма вращения — инерционными силами от масс, находящихся на поворотной раме. Нагрузки от стреловой системы прикладываются в корне­вых шарнирах стрелы и стреловых гидроцилиндров. Ре­акции в корневых шарнирах стрелы складываются из трех компонентов: реакций от нагрузок, лежащих в плоскости стреловой системы , а также реакций от моментов (рис. 17.22, показаны только на­грузки, действующие на ковш). Значения опорных реак­ций стрелы от нагрузок, лежащих в плоскости стреловой системы, находятся из условий равновесия . Для вычисления опорных реакций стрелы отмоментов надо использовать условия ,

. После определения всех компонентов надо вычислить суммарные значения реакций.

Нагрузки на ходовую раму передаются от поворотной платформы через ОПУ. Характер опирания ходовой рамы на грунт зависит от условий эксплуатации. Поэтому для расчета на прочность следует выбирать наиболее небла­гоприятный вариант закрепления, как правило — в трех точках. Наихудшим случаем загружения ходовой рамы является расположение стрелы перпендикулярно к диаго­нали опорного контура (см. пример 4.4).

Расчет напряженно-деформированного состояния пово­ротной платформы и ходовой рамы производится МКЭ.