Автогрейдер ДЗ-122 с дополнительным оборудованием для профилировки откосов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Пермский государственный технический университет

Автогрейдер ДЗ-122 с дополнительным оборудованием для профилировки откосов

Пермь 2010

Содержание

Введение

Патентный поиск

Определение основных параметров автогрейдера

Тяговый расчёт автогрейдера

Расчёт на прочность оборудования автогрейдера

Расчёт основной рамы

Расчёт тяговой рамы

Расчёт отвала

Расчёт механизмов управления рабочим оборудованием автогрейдера

Механизм подъёма отвала

Механизм поворота отвала

Механизм изменения угла резания отвала

Механизм выдвижения отвала

Механизм выноса тяговой рамы в сторону

Расчёт автогрейдера на устойчивость

Расчёт продольной устойчивости

Расчёт поперечной устойчивости

Расчёт производительности автогрейдера

Техника безопасности

Список литературы

Введение

Автогрейдеры представляют собой самоходные планировочно-профилировочные машины, основным рабочим органом которых является полноповоротный грейдерный отвал с ножами, установленными под углом к продольной оси автогрейдера. Отвал размещён между передним и задним мостами пневмоколёсного ходового оборудования. При движении автогрейдера ножи срезают грунт и отвал сдвигает его в сторону.

Автогрейдеры применяют для планировки и профилирования дорог, сооружения высоких насыпей и профильных выемок, отрывки дорожного корыта и распределения в нём каменного материала, зачистки дна каналов, планировки территорий, засыпки траншей, рвов, канав и ям, а также очистки дорог, строительных площадок, городских магистралей и площадей от снега в зимнее время. Автогрейдеры используются на грунтах I …III категорий. При работе автогрейдер совершает ряд последовательных проходов: резание грунта, его перемещение, разравнивание и планировка поверхности сооружения. Современные автогрейдеры конструктивно подобны и выполнены в виде самоходных трёхосных машин с полноповоротным грейдерным отвалом, с механической или гидромеханической трансмиссией и гидравлической системой управления рабочими органами.

Автогрейдеры могут быть использованы для киркования грунта и изношенного полотна автомобильных дорог, а также для перемешивания грунтов с добавками и вяжущими материалами на полотне дороги. Все рабочие операции автогрейдеры осуществляют при продольных проходах машин с помощью основного рабочего оборудования – отвала с различными приспособлениями (уширителем, удлинителем, откосником, кюветоочистителем) и навесного оборудования (бульдозерного отвала, кирковщика, снегоочистителя, смесителя и пр.)

Автогрейдер состоит из следующих основных частей: длинной и выгнутой в средней части основной рамы, служащей для установки на ней всех механизмов автогрейдера и опирающейся сзади на заднюю тележку, снабжённую балансирами с ведущими колёсами, а спереди на переднюю ось с управляемыми колёсами; двигателя, закреплённого сверху рамы над задней тележкой; трансмиссии, передающей вращение от двигателя к ведущим колёсам, гидронасосам и пр.; отвала, расположенного в пространстве под выгнутой узкой в плане частью рамы, называемой хребтовой балкой, на специальной тяговой раме, закреплённого с помощью сферического шарнира на концевой части хребтовой балки над передней осью и двух гидроцилиндров подъёма отвала, установленных на кронштейнах с двух сторон хребтовой балки в её самой приподнятой части; кабины с органами и пультом управления и сиденьем машиниста; дополнительного оборудования (отвала бульдозера, кирковщика и др.) с гидроцилиндра для их привода; капота с откидными стенками, закрывающего двигатель, и электоросистемы сигнализации и освещения.

Над тележкой удачно скомпонованы двигатель с системами его запуска и радиатором охлаждения, закрытыми капотом; элементы трансмиссии и кабина со всем оборудованием. При такой компоновке создаётся полезная нагрузка на ведущие колёса и , кроме того, из кабины машиниста открывается достаточно хороший обзор по ходу машины и на всё зону расположения отвала, что позволяет машинисту автогрейдера непосредственно наблюдать за самим процессом обработки грунта на дороге при любых положениях отвала в пространстве. Расположение ведущих колес задней тележки непосредственно под двигателем и под кабиной машиниста с расположенными внутри органами управления, позволяет также удачно скомпоновать трансмиссию, сделать несложной систему управления ею.

С целью повышения поперечной устойчивости на наклонных поверхностях на автогрейдерах предусмотрен наклон передних колёс, осуществляемый с помощью специально механизма. Благодаря наклону передние колёса всегда занимают вертикальное положение на уклонах, и поэтому машина более устойчива против поперечного опрокидывания.

На автогрейдере применена гидромеханическая трансмиссия, в которой вместо муфты сцепления установлен гидротрансформатор, позволяющий автоматически в широких пределах менять крутящий момент на колёсах и их скорость в зависимости от возникающего на колёсах сопротивления. Это упрощает механическую часть трансмиссии, улучшает условия труда машиниста, тяговые свойства автогрейдера и его проходимость, снижает динамические нагрузки в трансмиссии. Применение гидротрансформатора повышает производительность автогрейдера, особенно при тяжёлых режимах работы, хотя несколько удорожает конструкцию автогрейдера.

Патентный поиск

Анализируя изобретения, решаю остановиться на дополнительном отвале, установленном на раме автогрейдера ссади, в качестве навесного оборудования для профилировки откосов. Благодаря дополнительному отвалу увеличивается производительность автогрейдера; можно уменьшить количество проходов при профилировании за счёт выполнения сразу двух операций: профилировки поверхности дороги и откоса или сразу двух полос дороги. Увеличение сопротивления резания позволяет использовать мощность двигателя более полно.

Определение основных параметров автогрейдера

Техническая характеристика автогрейдера ДЗ-122:

Тип автогрейдера средний

Мощность двигателя, кВт 99

Размеры отвала, м

длина 3,72

высота 0,62

Угол наклона отвала, град 40…90

Угол резания, град 30…70

Угол поворота отвала, град 360

Вынос отвала в сторону, м 0,81

Высота подъёма отвала, м 0,4

Колёсная формула 1х2х3

Давление в гидроприводе, МПа 10

Колея колёс, м:

передних 2,0

задних 2,0

База, м 5,83

Радиус поворота, м 14

Тип трансмиссии гидромеханическая

Дорожный просвет, м 0,4

Скорости передвижения, км/ч:

вперёд 7,4…43

назад 7,7…25,2

Габаритные размеры, мм:

длина 9450

ширина 2500

высота 3500

Эксплуатационная масса, т 14,7

Определение основных параметров автогрейдера

К основным параметрам и размерам автогрейдера относятся: масса, длина и высота отвала, боковой вынос отвала, дорожный просвет и заглубление отвала, угол резания ножа, углы захвата наклона отвала, калёсная база, колея передних и задних колёс, колёсная формула.

Определим оптимальную силу тяжести автогрейдера по заданным площади поперечного сечения кювета автодороги и необходимому для создания земляного полотна числу проходов:

где m – коэффициент, учитывающий неравномерность сечений стружки при последовательных проходах, m = 1,35

S –площадь сечения треугольного кювета, S = 2,25hk
2
= 2.25 .
0.62
= 0.81м2

k – удельное сопротивление грунта резанию, k = 130 кПа

ψ – коэффициент учитывающий колёсную формулу автогрейдера,

ψ = 0,75 при формуле 1х2х3

φсц
– коэффициент сцепления при буксовании колёс, φсц
= 0,75

n – число проходов при устройстве земляного полотна в нулевых

отметках, для грунтов II категории n = 4

Сила тяжести автогрейдера, приходящаяся на его задний мост:

где G = 105,3кН – вес автогрейдера

Сила тяжести автогрейдера, приходящаяся на его передний мост:

Сцепной вес автогрейдера (вес, приходящийся на ведущие колёса):

где ψ1
– коэффициент, определяемый колёсной схемой автогрейдера, дл схемы 1х2х3 ψ1
= 0,7…0,75

Необходимая при рабочем режиме мощность двигателя:

где Nпол
– полезная мощность, кВт:

где Vф
=4 км/ч – фактическая скорость перемещения машины

Nдв
– мощность затрачиваемая на перекатывание:

Nбукс
– мощность затрачиваемая на пробуксовку:

k1
= 1 - коэффициент учитывающий уменьшение мощности двигателя в

условиях неустановившейся нагрузки.

ή = 0,76 – КПД трансмиссии, для гидромеханической трансмиссии

Мощность двигателя, определяемая для транспортного режима:

где f = 0,04 – коэффициент сопротивления качению

Vmax
– максимальная скорость движения автогрейдера

Из найденных двух значений мощности выбираем максимальную и используем её в расчётах. Найденная максимальная мощность совпадает с номинальной рассчитываемого автогрейдера.

Длина отвала:

где mа
– масса автогрейдера, mа
= G/g = 105,3/9,81 = 10,7 т

Высота отвала:

Радиус кривой отвала:

В поперечном сечении профиль отвала обычно очерчивается по дуге окружности (рис.1). При таком профиле стружка вырезаемого грунта, перемещаясь по отвалу вверх, поворачивается на нём в направлении его движения и, дойдя до верхней кромки отвала, рассыпается или опрокидывается перед ним, образуя призму грунта.

Рис.1 Поперечный профиль отвала

Чтобы исключить пересыпание грунта за отвал, угол опрокидывания ψ принимают равным 65…70°. При установки углов должно быть обеспечено равенство

ά + ώ + ψ = π

т.е. ώ = π – ά – ψ = 180° - 50° - 65° = 65°

База автогрейдера выбирается из условия возможности разворота отвала (рис.2).

рис.2 Ходовое устройство автогрейдера

где L – база трёхосного автогрейдера

L1
– база двухосного автогрейдера:

Lотв
= 3,72м – длина отвала

b= 2,0м – колея автогрейдера

Δ = 0,055м – минимальный зазор между отвалом и колесом

D = 1,2м – внешний диаметр шины

Δ’ = 0,6м – минимальный зазор между задними колёсами

Размеры b и Lотв
и связанного с ними радиуса поворота R автогрейдера (рис.2) выбираю такими, чтобы машина имела наименьшие размеры. Однако наличие наименьших величин обуславливается следующим. Устойчивость движения автогрейдера при вырезании стружки с наибольшей шириной захвата обеспечивается, если колёса автогрейдера идут по краям забоя.

Тяговый расчёт автогрейдера

В процессе работы автогрейдера возникают различного характера и разной величины силы сопротивления его движению.

Для определения сопротивлений, возникающих в рабочем режиме при резании и перемещении грунта автогрейдером определённого типа, должны быть известны род грунта и его характеристики, размеры отвала и углы его установки, вес автогрейдера.

Тяговый расчёт автогрейдера позволяет оценить возможности тягача при транспортировании грунта с подрезанием стружки. Для нормального протекания процессов резания, перемещения грунта или планирования поверхностей необходимыми являются условия ∑W ≤ Тн
и ∑W ≤ Тφ
, где Тн
– номинальное значение силы тяги автогрейдера на используемой передаче:

где ήТ
– КПД трансмиссииб V = 4 км/ч = 1,1м/с – скорость движения

Предельное значение тягового усилия по сцеплению с грунтом:

где Gсц
= G ψ1
= 105,3 .
0,75 = 79 кН – сцепной вес

φсц
= 0,6 – коэффициент сцепления колёс с грунтом

Суммарное сопротивление копанию автогрейдером:

где W1
– сопротивление грунта резанию,

где К = 15кПа – удельное сопротивление грунта резанию

Fст
- площадь поперечного сечения вырезаемой стружки грунта при резании полной длиной отвала,

Fст
= Lотв
h = 3,72 .
0,16 = 0,6м2

W2
– сопротивление перемещению призмы грунта

где μ2
= 0,5 – коэффициент внутреннего трения грунта

Gпр
= γгр
gVпр
= 1800 .
9,81 .
0,62 = 10948Н = 11кН

Vпр
– объём призмы перед отвалом с учётом, что длины ножа погружены в грунт для резания

где Кр
= 1,2 – коэффициент разрыхления грунта

h = 0,16м – толщина стружки

δ = 40° - угол естественного откоса грунта

W3
- сопротивление перемещению стружки грунта вверх по отвалу:

где μ1
=0,9 – коэффициент трения грунта по отвалу

ά = 50° - угол резания ножа

W4
- сопротивление перемещению стружки грунта вдоль по отвалу:

W5
– сопротивление перекатыванию колёс:

W6
– сопротивление от преодоления подъёма

Сопротивление от сил инерции W7
считают равными нулю, так как принимают, что движение автогрейдера происходит без ускорения и без переключения скоростей, т.е. при установленном движении. Тогда полное сопротивление:

Проверим, соблюдается ли условия ∑W =42,6 кН ≤ Тн
=61,6кН и ∑W = 42,6 кН ≤ Тφ
= 47,4 кН

При установке дополнительного отвала тяговая характеристика изменится:

где Gгр+отв
– вес автогрейдера и дополнительного отвала (3468Н)

где

где Gпр
= γгр
gVпр
= 1800 .
9,81 .
0,54 = 9535,3Н = 9,5кН

Проверим, соблюдается ли условия

∑W =49 кН ≤ Тн
=61,6кН и

∑W = 49 кН ≤ Тφ
= 49 кН

Условие соблюдается, значит, данный автогрейдер подходит для работ в выбранных условиях.

Расчёт на прочность оборудования автогрейдера

Расчёт основной рамы

Первое расчётное положение. В первом расчётном положении, соответствующем нагрузкам, возникающим в процессе нормальной эксплуатации автогрейдера, наиболее неблагоприятные условия возникают в конце зарезания, когда отвал режет грунт одним концом, опущннам настолько, что передний мост вывешен и упирается в край кювета, задние колёса буксуют на месте, работа производится на поперечном уклоне с углом λ = 16°.

В этих условиях основная рама оказывается максимально нагруженной нормальными нагрузками (рис.3). В центре тяжести автогрейдера сосредотачивается сила его веса и равнодействующая сил инерции, которая раскладывается на состовляющие, так как автогрейдер работает на уклоне. Первая, равная Gcosλ, действует перпендикулярно опорной поверхности, а вторая, Gsinλ, - параллельно ей.

Координаты Н(м) и l(м) центра тяжести современных автогрейдеров приблизительно определяют из соотношений:

где rс
– статический радиус колеса, rс
= 0,93 rк
= 0,93 .
0,6 = 0,56м

Рис.3 Схема сил, действующих на автогрейдер в первом расчётном положении

В центре тяжести автогрейдера помимо его веса сосредотачивается равнодействующая инерционных сил

где Кд
= 1,5 – коэффициент динамичности

θmax
= 0,85 – максимальный коэффициент использования сцепного веса машины

G2
= 73,7кН – сила тяжести автогрейдера, приходящейся на задний мост

В точке О, которой обозначен конец режущей кромки ножа отвала, сосредотачиваются усилия Рх
, Рy
и Рz
, возникающие в результате сопротивления грунта резанию.

В точках О’
2
и О’’
2
, соответствующих проекциям середин балансиров на опорную поверхность, действуют вертикальные реакции задних правых и левых колёс Z2п
и Z2л
, свободные силы тяги X2п
и X2л
и боковые реакции Y2п
и Y2л

Боковые реакции

Y2п
= Y2л
= 0,5Gsinλ = 0.5 .
105,3 .
sin 16° = 14.5кН

В точке О3
, в которой передний мост касается кювета, возникает боковая реакция Y1

Составим систему уравнений равновесия:

∑X = 0: X2п
+ X2л
+ Ри
– Рx
= 0;

∑Y = 0: Y2
п
+ Y2
л
- G sinλ – Py
+ Y1
= 0;

∑Z = 0: Z2
п
+ Z2
л
– Gcosλ + Pz
= 0;

∑Мx
= 0: Gcosλ b/2 - Z2
п
b - G sinλH = 0;

∑Мy
= 0: Pz
L1
– Gcosλl – Pи
Н = 0;

∑Мz
= 0: (Y2
п
+ Y2
л
)L1
+ X2
л
b + Pи
b/2 + G sinλ(L1
-l) – Y1
(L – L1
) = 0;

Определим неизвестные силы и реакции Рx
, Pz
, Z2п
и Z2л
из уравнений равновесия, используя систему уравнений:

Силы тяги правого и левого задних колёс могут быть выражены через вертикальные реакции

X2п
= Z2п
Θmax
= 22,2.
0,85= 18,9 кН

X2л
= Z2л
Θmax
= 35,2 .
0,85 = 29,9 кН

Зная X2п
и X2л
:

Рy
= Y2п
+ Y2л
- Gsinλ + Y1
= 14,5 + 14,5 – 105,3sin16° + 137.6 = 137,6кН

Далее необходимо найти усилия, действующие в т. О4
– шаровом шарнире тяговой рамы, служащем опорой для правой части основной рамы. Левой частью основная рама двумя точками, соответствующими точкам О’
2
и О’’
2
, опирается на задний мост, а средней частью – на систему подвески тяговой рамы.

Считая детали подвески тяговой рамы расположенными в одной плоскости Q (рис.4), можно рассматривать пересечение этой плоскости с основной рамой как место заделки последней, являющееся опасным расчётным сечением. Для упрощения расчёта принимают, что тяги подвески находятся в вертикальной плоскости Q’, хотя в действительности плоскость Q, в которой они расположены, наклонена к вертикали под небольшим углом ά. Принятое допущение несколько увеличит получаемые значения усилий Z4,
Y4
, X4
действующих на шаровой шарнир и , следовательно, приведёт к увеличению запаса надёжности.

Из уравнений моментов, составленных относительно осей y’ и z’, лежащих в плоскости Q’, проходящей через точку О4
и перпендикулярной к оси О’4
О4
, находим усилия Z4
и Y4

Рис.4 Схема сил, действующих на шаровой шарнир тяговой рамы в первом расчётном положении

Усилие Х4
находим из уравнения ∑X = 0, откуда Х4
= Р4
= 92,6 кН.

Определив все силовые факторы основной рамы в первом расчетном положении, можно посчитать возникающие в ней напряжения.

На рис.5 показана схема нагружения основной рамы в первом расчетном положении. Пользуясь этой схемой, определяем изгибающие моменты, действующие в опасном сечении I-I.

Рис.5 Схема нагружения основной рамы в первом расчетном положении

Слева от сечения I-I (со стороны моста):

Справа от сечения I-I (со стороны переднего моста):

Необходимо выбрать поперечное сечение и определить его геометрические характеристики – моменты сопротивления и площадь поперечного сечения (Рис.6).

Также следует выбрать материал и наити допускаемое напряжение. Допускаемое напряжение равно отношению предельного напряжения к коэффициенту запаса, равному 1,1…1,5

Выбираем нестандартный профиль бруса с размерами поперечного сечения b1
=160мм, b2
=180мм, h1
=200мм, h2
=240мм.

Площадь и моменты инерции прямоугольного поперечного сечения определяют:

Рис.6 Поперечное сечение

Полярный момент инерции прямоугольного сечения вычисляем:

где ά1
и ά2
– коэффициенты, зависящие от отношения сторон прямоугольного сечения.

Выбираю материал – сталь 40Х с σ = 650МПа и рассчитываю допускаемое напряжение:

[σ] = σпр
/К3
, [σ] = 650/1,2 = 541,7 МПа

Зная геометрические размеры сечения и его форму, можно посчитать возникающие в нём максимальные напряжения σ:

где σсум
– суммарное напряжение от изгиба и растяжения-сжатия

τ – напряжение от кручения

где Ми
в
, Ми
г
– суммарные изгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскостях, Р – сжимающее усилие, кН

Мкр
– суммарный крутящий момент, действующий на расчётное положение

Wy
, Wz
, Wp
, F – моменты сопротивления сечения изгибу и кручению и площадь этого сечения

Возникающие в опасном сечении I-I основной рамы напряжения от воздействия на него силовых факторов, действующих слева и справа от сечения, подсчитывают раздельно и принимают в расчёт наибольшее.

Для сечения I-I (со стороны заднего моста):

Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны заднего моста:

Для сечения I-I (со стороны переднего моста):

Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны переднего моста:

Максимальные напряжения со стороны переднего моста, и со стороны заднего моста превышают допускаемое напряжение,

Для выполнения условий прочности увеличивают толщину стенки поперечного сечения или меняют материал на более прочный и в результате при b1
=160мм, b2
=210мм, h1
=200мм, h2
=250мм получаем площадь и моменты инерции прямоугольного поперечного сечения:

Полярный момент инерции прямоугольного сечения вычисляем:

Для сечения I-I (со стороны заднего моста):

Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны заднего моста:

Для сечения I-I (со стороны переднего моста):

Тогда максимальное напряжение для сечения I-I со стороны переднего моста:

Условие выполняется, значит выбранное сечение удовлетворяет условиям прочности и может быть использовано в рабочем оборудовании.

Второе расчётное положение. Во втором расчётном положении на автогрейдер действуют случайные нагрузки, возникающие при встрече его с непреодолимым препятствием. Наиболее неблагоприятные условия при этом складываются, когда наезд на препятствие происходит краем выдвинутого в сторону отвала при движении автогрейдера по горизонтальной поверхности на максимальной рабочей скорости с малым пробуксовыванием ведущих колёс, что имеет место при работах по разравниванию и перемещению грунта.

При внезапной встрече конца отвала с жёстким препятствием происходит их соударение, что приводит к возникновению дополнительной динамической нагрузки на основную раму.

При расчёте на прочность рабочего оборудования принимают, что масса и жесткость препятствия во много раз превышает массу и жёсткость автогрейдера. Тогда дополнительную динамическую нагрузку на автогрейдер определяют только массой и жёсткостью последнего, а также скоростью столкновения и подсчитывают:

где v – скорость автогрейдера в момент встречи с препятствием

Gсц
– вес автогрейдера с оборудованием, Gсц
= 82468 Н

g – ускорение свободного падения

С – суммарная жёсткость автогрейдера