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. 17.15. 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
![]() |
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 )
|
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
![]() |
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.