Проектирование металлоконструкции отвала бульдозера

Проектирование металлоконструкции отвала бульдозера

Введение

металлоконструкция статический нагрузка

Бульдозеры представляют собой навесное оборудование на базовый гусеничный или пневмоколесный трактор (двухосный колесный тягач), включающее отвал с ножами, толкающее устройство в виде брусьев или рамы и систему управления отвалом. Основные типы бульдозерных отвалов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Основные типы бульдозерных отвалов: 1 - прямой поворотный; 2 - прямой неповоротный; 3 - полусферический; 4 - сферический; 5 - сферический для сыпучих материалов; 6 - с толкающей плитой

Главный параметр бульдозеров - тяговый класс базового трактора (тягача). Бульдозеры применяются для послойной разработки и перемещения грунтов I-IV категорий, а также предварительно разрыхленных скальных и мерзлых грунтов. С их помощью выполняют планировку строительных площадок, возведение насыпей, разработку выемок и котлованов, нарезку террас на косогорах, разравнивание грунта, отсыпаемого другими машинами, копание траншей под фундаменты и коммуникации, засыпку рвов, ям, траншей, котлованов и пазух фундаментов зданий, расчистку территорий от снега, камней, кустарника, пней, мелких деревьев и строительного мусора и т. п. Широкое использование бульдозеров в строительном производстве определяется простотой их конструкции, надежностью и экономичностью в эксплуатации, высокими производительностью, мобильностью и универсальностью.

Бульдозеры классифицируют по назначению, тяговому классу и типу ходового устройства базовых машин, конструкции рабочего органа и типу системы управления отвалом.

По назначению различают бульдозеры общего назначения, используемые для выполнения основных видов землеройно-транспортных и вспомогательных работ в различных грунтовых и климатических условиях, и специальные, применяемые для выполнения целевых работ в специфических грунтовых или технологических условиях. К последним относятся бульдозеры-толкачи, подземные и подводные бульдозеры. В зависимости от тягового класса базовых машин бульдозеры разделяют на малогабаритные (класс до 0,9), легкие (классов 1,4...4), средние (классов 6... 15), тяжелые (классов 25...35) и сверхтяжелые (класса свыше 35). По типу ходового устройства бульдозеры разделяются на гусеничные и пневмоколесные. По конструкции рабочего органа различают бульдозеры с неповоротным в плане отвалом, постоянно расположенным перпендикулярно продольной оси базовой машины, и с поворотным отвалом, который может устанавливаться перпендикулярно или под углом до 53° в обе стороны к продольной оси машины. По типу системы управления отвалом различают бульдозеры с гидравлическим и механическим (канатно-блочным) управлением. При канатно-блочной системе управления подъем отвала осуществляется зубчато-фрикционной лебедкой через канатный полиспаст, опускание - под действием собственной силы тяжести отвала. При гидравлической системе управления подъем, и опускание отвала осуществляются принудительно одним или двумя гидроцилиндрами двустороннего действия. Бульдозеры с механическим управлением в настоящее время промышленностью не выпускаются.

Рабочий цикл бульдозера (рис.2) следующий: при движении машины вперед отвал с помощью системы управления заглубляется в грунт, срезает ножами слой грунта и перемещает впереди себя образовавшуюся грунтовую призму волоком по поверхности земли к месту разгрузки; после отсыпки грунта отвал поднимается в транспортное положение, машина возвращается к месту набора грунта, после чего цикл повторяется. Максимально возможный объем призмы волочения современные бульдозеры набирают на участке длиной 6...10 м. Экономически целесообразная дальность перемещения грунта не превышает 60..80 м для гусеничных бульдозеров и 100... 140 м для пневмоколесных машин.

Рис. 2. Схемы работы бульдозера при разработке грунтов: а - резание; б - транспортирование с подрезанием; в - отсыпка; г - откат назад (холостой ход)

Преимущественное распространение получили гусеничные бульдозеры, обладающие высокими тяговыми усилиями и проходимостью. Чем выше тяговый класс машины, тем больший объем земляных работ она способна выполнять и разрабатывать более прочные грунты.

К основным параметрам бульдозерного оборудования (рис. 3) относятся высота без козырька Н и длина В отвала (м), радиус кривизны отвала, основной угол резания , задний угол отвала , угол заострения ножей , угол перекоса отвала и угол поворота (у поворотных машин) отвала в плане (град), высота подъема отвала над опорной поверхностью h₁ и глубина опускания отвала ниже опорной поверхности h₂ (м), напорное Т и вертикальное Р усилия на режущей кромке (кН), скорости подъема v_п и опускания v_o отвала.

Рис. 3. Схемы устройств и основные параметры бульдозеров: а - с поворотным отвалом; б - с неповоротным отвалом; в - поперечный перекос отвала

Отвал бульдозера представляет собой жесткую сварную металлоконструкцию с лобовым листом криволинейного профиля. Вдоль нижней кромки отвала крепятся сменные двухлезвийные режущие ножи (два боковых и средние), наплавленные износоустойчивым сплавом. В середине верхней части отвала имеется козырек, препятствующий пересыпанию грунта через верхнюю кромку.

Для увеличения производительности бульдозера при работе на легких грунтах на его отвал устанавливают с обоих концов сменные уширители, открылки и удлинители. Для уменьшения потерь грунта при его транспортировании современные неповоротные гусеничные бульдозеры оборудуют сферическими и полусферическими отвалами.

Конструктивные особенности неповоротных и поворотных бульдозеров

У бульдозера с неповоротным отвалом (рис. 4) отвал 1 крепится посредством универсальных шарниров 8 к толкающему устройству в виде двух брусьев 7 коробчатого сечения, задние концы которых соединены с помощью упряжных шарниров 8 с балками 5 ходового устройства базового трактора 4. Шарниры позволяют толкающим брусьям поворачиваться в вертикальной и горизонтальной плоскостях при перекосе отвала. Подъем и опускание отвала осуществляются с помощью двух гидроцилиндров двойного действия 3, штоки которых шарнирно прикреплены к отвалу через кронштейны. Отвал в рабочем положении удерживают гидрораскос 2 и винтовой жесткий раскос 10, которые установлены в плоскостях соответственно левого и правого толкающих брусьев. Нагрузка между толкающими брусьями равномерно распределяется механизмом 9 компенсации перекоса, обеспечивающим устойчивость отвала в горизонтальной плоскости.

1. Общая часть

.1 Исходные данные для расчета

Рассчитать внутренние силовые факторы и напряжения, возникающие в элементах металлоконструкции неповоротного отвала бульдозера (рис. 1.1 и 1.2). Исходные данные для расчета: Р_х=250 кН, Р_y= 17 кН, Р_z= 30 кН, b=1440 мм, b₁=1000 мм, b₃=3200 мм, b₅=980 мм, b₆=680 мм, h=800 мм, h₁=360 мм, е=600 мм, L=3400, α=76°, β=70°, γ=50°, D=127 мм, δ=5,5 мм, В=140 мм, δ₁=7 мм.

Рис. 1.1. Сечения: а - раскосов и подкосов; б - толкающих брусьев

Рис. 1.2. Расчетная схема неповоротного отвала бульдозера

1.2 Расчетная схема металлоконструкции неповоротного отвала бульдозера

.3 Описание металлоконструкции, ее элементов, материалов, технологии изготовления и сборки

Рабочее оборудование бульдозеров - отвал (рабочий орган), навешиваемый спереди базового трактора и управляемый посредством канатно-блочной системы однобарабанной фрикционной лебёдки или гидравлической системы, состоящей из одного или нескольких насосов, трубопроводов и исполнительных гидроцилиндров.

К бульдозерному оборудованию относятся отвал как основное рабочее оборудование; толкающее устройство (рама); система управления отвалом.

Отвал представляет собой сварную конструкцию, состоящую из лобового листа криволинейного очертания, козырька, нижней и верхней коробок жесткости, вертикальных ребер жесткости и боковых стенок. Тыльная часть отвалов у бульдозеров с неповоротным отвалом по боковой их части снабжена проушинами для соединения отвала с толкающими брусьями и раскосами. Лобовой лист сварен из двух продольных частей, одна, нижняя, имеет плоское очертание, а другая, верхняя - криволинейное очертание. Торцы отвала у большинства бульдозеров закрыты боковыми щеками, к которым приварены вертикальные ножи. На щеках предусмотрены отверстия для крепления уширителей отвала. В большинстве случаев верхняя часть отвалов снабжается козырьком, препятствующим потере перемещаемого грунта через отвал.

Нижняя сварная коробка, к которой крепится нижняя часть отвала, в поперечном сечении имеет вид трехгранной призмы. Верхняя коробка также сварная, к которой «крепится верхняя часть отвала, представляет собой балку квадратного сечения. Соединение отвала с толкающими брусьями и раскосами (при неповоротных отвалах) осуществляется проушинами и пальцами.

Толкающие устройства для бульдозеров с неповоротным отвалом состоят из брусьев коробчатого или трубчатого сечения и винтовых раскосов , как правило, трубчатого сечения. На каждый бульдозер требуется по два бруса и по два раскоса - по одному брусу и раскосу на каждую сторону. Брусья толкающего устройства крепятся с одной стороны к основной раме базового трактора, с другой - к отвалу; соединение обеспечивается посредством опор, проушин, крестовин и пальцев.

Бульдозер Д-271А с неповоротным отвалом оснащен канатным управлением.

Отвал бульдозера представляет собой сварную конструкцию, нижняя часть которой выполнена в виде трехгранной призмы. Передний лист отвала состоит из двух листов: верхнего, или переднего, изогнутого листа толщиной 8 мм. и нижнего, или прямого, листа толщиной 10 мм, расположенного наклонно под углом 60°. Боковые стенки отвала толщиной 16 мм, выдвинутые несколько вперед, препятствуют потере грунта и способствуют увеличению его объема при транспортировании. К тыльной стороне отвала, в нижней части, приварен кронштейн для крепления подвижной обоймы полиспаста подъема отвала.

Ножи бульдозера прикреплены болтами к отвалу. Ножи имеют двухстороннюю заточку, что позволяет по мере износа переворачивать их или менять местами. Для увеличения износостойкости лезвие среднего ножа наплавляют отбеленным чугуном, лезвия крайних ножен - сталинитом.

Толкающая рама состоит из двух продольных балок коробчатого сечения, расположенных по обе стороны трактора. Каждый брус одним концом при помощи пальца связан с отвалом, а вторым - с опорой, приваренной к раме ходовой тележки. Опора представляет собой литую стальную коробку, на которой сделано отверстие для оси шарнира; ось удерживается в опоре штифтом.

На балке имеются три проушины, в которых при помощи пальца закрепляют подкос. Это позволяет устанавливать различный угол резания.

2. Конструкторская часть

.1 Расчет металлоконструкции неповоротного отвала бульдозера

Расчет усилий Р_ц в штоках гидроцилиндров. Рассмотрим равновесие системы «толкающие брусья - отвал». Запишем уравнения моментов относительно оси у (рис. 3):

После преобразования получим:

Расчет усилий в шарнире А. Запишем уравнение равновесия моментов относительно оси z для системы «толкающие брусья - отвал»:

После преобразования получим:

Уравнение равновесия моментов относительно оси х:

В результате преобразований получим:

Расчет усилий в шарнире С. Усилия в шарнире С рассчитываем также из условий равновесия системы «толкающие брусья - отвал».

Из условия равновесия проекций сил на ось у получим:

R_Cy=P_y= -22 кН.

Условие равновесия моментов относительно оси z₁ можно записать как:

После преобразований получим:

Условие равновесия моментов относительно оси x₁ можно записать как:

После преобразований получим:

Расчет усилий и напряжений в подкосах. Условие равновесия моментов сил, действующих на левый толкающий брус, относительно оси z₃:

следовательно, усилие в левом подкосе R_пл = 0. Напряжение в левом подкосе равно нулю.

Условие равновесия моментов сил, действующих на правый толкающий брус, относительно оси z₂:

следовательно, усилие в правом подкосе равно:

Площадь поперечного сечения подкоса равна:

Тогда напряжение в поперечных сечениях правого подкоса равно:

Расчет усилий и напряжений в раскосах. Условие равновесия моментов сил, действующих на левый толкающий брус, относительно оси y₁:

следовательно, усилие в левом раскосе равно:

Напряжение в левом раскосе равно:

Условие равновесия моментов сил, действующих на правый толкающий брус, относительно оси y₁:

следовательно, усилие в правом раскосе равно:

Напряжение в правом раскосе равно:

Эпюры внутренних силовых факторов в толкающих брусьях. Рассматривая равновесие левого толкающего бруса АВ (рис. 2.1), из условия равновесия проекций сил на ось x₁ определяем реакцию R_Вx:

Из условия равновесия моментов сил относительно оси z₁ находим реакцию R_Вz:

Эпюры изгибающего момента М_y и нормальной силы N, соответствующие указанным нагрузкам, представлены на рисунке 2.1.

Рассматриваем равновесие правого толкающего бруса CD (рис. 2.2) и из условия равновесия проекций сил на ось х определяем реакцию R_Dx:

Проецируя силы на оси y и z, получим соответственно:

Эпюры изгибающих моментов и нормальной силы в правом толкающем брусе показаны на рисунке 2.2.

Рис. 2.1. Эпюры M и N в левом толкающем брусе

Расчет напряжений в толкающих брусьях.

Площадь поперечного сечения толкающего бруса равна:

Момент сопротивления изгибу равен:

Наибольшее напряжение в левом толкающем брусе возникает в сечении К. Оно равно:

Наибольшее напряжение в правом толкающем брусе возникает в сечении, расположенном на расстоянии 1005 мм от шарнира D, так как в этом сечении действует наибольший изгибающий момент М_z. Оно равно:

Так как толкающие брусья стороной 180 мм и сечением 9 мм не выдерживают нагрузку, принимаем брусья стороной 200 мм и сечением 10 мм.

Площадь поперечного сечения толкающего бруса равна:

Момент сопротивления изгибу равен:

Наибольшее напряжение в левом толкающем брусе возникает в сечении К. Оно равно:

Наибольшее напряжение в правом толкающем брусе возникает в сечении, расположенном на расстоянии 1005 мм от шарнира D, так как в этом сечении действует наибольший изгибающий момент М_z. Оно равно:

Рис. 2.2. Эпюры M и N в правом толкающем брусе

.2 Расчет металлоконструкции неповоротного отвала бульдозера в APM Structure 3D

Создание расчетной модели металлоконструкции неповоротного отвала бульдозера

APM Structure 3D предназначен для комплексного анализа трехмерных конструкций произвольной формы. С его помощью можно методом конечных элементов выполнить прочностной расчет произвольно закрепленных моделей, включающих стержневые, тонкие пластинчатые и объемные твердотельные элементы конструкций (включая сборки), а также канаты и произвольные комбинации всех перечисленных выше элементов.

Кроме необходимых прочностных характеристик, металлоконструкция должна быть технологичной, иметь малую стоимость и вес, удовлетворять эстетическим требованиям, а внешние поверхности конструкций должны быть гладкими для снижения возможности образования коррозии и удешевления окраски. На основании этого проектируем металлоконструкцию неповоротного отвала бульдозера. Раскосы и подкосы выполнены из труб круглого сечения, толкающие брусья из труб квадратного сечения.

Рис. 2.3. Номера узлов металлоконструкции отвала

.3 Граничные условия и нагрузки

Для ограничения перемещения заданы опоры на узлах 2 и 3. Опора в узле №2 ограничивает перемещения относительно оси X и Z, а также запрещает повороты вокруг осей. Условие опоры узла задано на рисунке 2.4.

Рис.2.4. Установка опор

Опора в узле №3 ограничивает все перемещения и запрещает все повороты вокруг осей. Условие опоры узла задано на рисунке 2.5.

Рис.2.5. Установка опор

В узлах № 16, 27, 18 прикладывается статическая нагрузка, величиной в узле № 18 - 69821.20 Н, а в узлах № 27 и № 16 величиной 9885.06 Н. Все статические нагрузки, включая собственный вес, учтены в « Загружение 0» и сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Рис. 2.6. Схема приложения нагрузок

.4 Статический расчет металлоконструкции неповоротного отвала бульдозера

Статический расчет основан на матричном методе перемещений, целью которого является определение неизвестных перемещений узлов конструкции.

Основным уравнением для решения является уравнение равновесия:

Где K- матрица жесткости системы;

Х- вектор неизвестных узловых перемещений.

В статическом расчете схема конструкции считается недеформированной, при этом продольные силы в стержнях и усилия в плоскости пластин не влияют на величину изгибающих моментов.

Результатом статического расчета конструкции является:

перемещение узлов конструкции (линейные и угловые);

нагрузки на концах стержней, в узлах пластин и в узлах объемных элементов;

напряжения, действующие в стержнях, пластинах и объемных элементах;

распределение напряжений в произвольном сечении стержня;

эпюры силовых факторов для всей конструкции;

реакции (силы и моменты), действующие в опорах конструкции

Определение реакций в опорах.

Реакции в опорах найдены с учетом статических и динамических нагрузок, воздействующих на неповоротный отвал бульдозера. Значения сил, действующих на опорах, сведены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2. Реакция в опорах

Анализ карты напряжений.

Карта напряжений представляет собой изображение рассчитываемой конструкции, стержни которой окрашены в разные цвета, в зависимости от возникающих в них напряжений. Слева от изображения рассчитываемого отвала бульдозера имеется цветовая шкала, с помощью которой можно определить величину перемещений стержня. Максимальное перемещение стержней конструкции показано розовым оттенком шкалы, а минимальное перемещение - синим.

Построенная карта напряжений на рисунке 2.7. показывает, что наиболее наибольшее напряжение в конструкции отвала создается в местах крепления толкающих брусьев к отвалу. Максимальное значение напряжения 143 Н/мм^2 возникает в стержне «Rod 57». Также незначительные напряжения возникают в местах крепления подкосов к толкающим брусьям.

Рисунок 2.7. Карта напряжений

Максимальные напряжения, возникающие в стержнях, указаны в таблице 2.3.

Таблица 2.3.

Анализ карты перемещений.

Карта перемещений представляет собой изображение рассчитываемой конструкции, стержни которой окрашены в разные цвета, в зависимости от возникающих перемещений. Слева от изображения рассчитываемого отвала бульдозера имеется цветовая шкала, с помощью которой можно определить величину перемещений стержня. Максимальное перемещение стержней конструкции показано розовым оттенком шкалы, а минимальное перемещение - синим.

Как видно по рисунку 2.8. перемещение точек конструкции…. Перемещение стержней отражено в таблице 2.4.

Рисунок 2.8. Карта перемещений

Таблица 2.4. Перемещения узлов (Загружение 0)

Графики перемещений наиболее нагруженного стержня представлены в рисунках:

Рис. 2.9. График момента изгиба стержня «Rod 57» в вертикальной плоскости (у).

Рис. 2.10. График момента изгиба стержня «Rod 57» в горизонтальной плоскости (х).

Рис. 2.11. График угла изгиба стержня «Rod 57» в вертикальной плоскости (у).

Рис 2.12. График угла изгиба в стержня «Rod 57» в горизонтальной плоскости (х).

Анализ карты коэффициента запаса.

Карта коэффициента запаса показывает отношение некоторого предельного напряжения к максимальному напряжению, возникающему в конструкции.

Максимальное напряжение в конструкции не должно превышать допускаемого напряжения для данного материала, определенного с учетом коэффициента запаса для данных условий работы.

Коэффициент запаса - число, большее единицы. Для того, чтобы избежать заметных остаточных деформаций в конструкции, за величину некоторого предельного напряжения принимают предел текучести, предел прочности и предел длительной прочности. Для каждой указанной характеристики материала принимают свое значение коэффициента запаса.

Определение коэффициента запаса происходит по формуле:

Где: - допустимое напряжение, для стали 235 МПа

- максимальное напряжение

Минимальный коэффициент запаса прочности по пределу текучести принимают - 1,5, но для надежной работы коэффициент запаса следует принимать от 1,5 до 2.

Анализ карты коэффициента запаса на рисунке 2.13 показывает, что наибольший коэффициент запаса возникает в местах крепления раскосов к отвалу.

Рисунок 2.13. Карта коэффициента запаса

Внутренние силовые факторы и напряжения в сечении наиболее нагруженного стержня металлоконструкции.

Наиболее нагруженным стержнем металлоконструкции отвала считается тот, где действует максимальное напряжение. Наиболее нагруженным стержнем является стержень «Rod 57».

Напряжения неравномерно распределены не только по длине стержня, но и в его сечении. Напряжения в поперечном сечении стержня изменяются в диапазоне от 13,55 до 21,92 МПа (Рис. 2.14).

Рис. 2.14 Распределение напряжений в поперечном сечении наиболее нагруженного стержня

Заключение, общие выводы и рекомендации

Конструкция неповоротного отвала бульдозера выдерживает приложенные к ней статические нагрузки. Выбранное сечение и диаметр стержня для основной несущей конструкции полностью удовлетворяет прочностным требованиям, предъявляемым к металлоконструкции отвала.

Оба сечения подобраны оптимально: удовлетворяют прочностным параметрам и к тому же не происходит перерасхода материала, из-за чего утяжеляется металлоконструкция, что ведет к увеличению стоимости отвала.

Окончательно подобранные сечения для основной несущей конструкции отвала показано на рисунке 3.1. Окончательно подобранные сечения для раскосов и подкосов отвала показано на рисунке 3.2.

Рис 3.1. Сечение для основной несущей конструкции отвала.

Рис 3.2. Сечение для раскосов и подкосов отвала.

Список литературы

1.  Подъемно-транспортные машины./ М.П. Александров.- М.: Высшая школа, 1985

2.       Проектирование и расчет методом конечных элементов в среде APM Structure 3D./ А.А. Замрий. - Москва: Изд-во АПМ, 2010-376 с.

.         Строительные машины и оборудование./ Макаров В.И. - Ленинград: Издательство Литературы по строительству, 1973.- 287 с.

. http://snip1.ru/spectexnika/buldozery-skrepery-grejdery-dorozhnom-stroitelstve/klassifikaciya-buldozerov/