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 h
Г
;
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
0
— 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 <90° и угле зарезания = 0 (отвал горизонтален) соответственно (м2
)
Sc
=
Lo
hp
и ;(5)
Lo
— в м; h
0
глубина 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 123, 112, 133 для легких автогрейдеров =2,5... 40,0 кН, средних =40... 60 кН, тяжелых =60 ... 80 кН;fc
— коэффициент трения стали о грунт.
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 <10°
при >10°
Сопротивление F
8
(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 333, 133, 222 и =0,7...0,75 при схеме 112 и 123; G
а
— 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 (F
8
=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 F
9
— сопротивление воздуха, кН; F8
— по формуле (10), кН.
Сопротивление воздуха (кН)
где k
0
— коэффициент обтекаемости;
k
0
=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 G
a
— в кН; vp
—
в м/ч; — общий КПД трансмиссии, kB
Ы
X
— коэффициент выходной мощности двигателя; kB
Ы
X
=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 v
т
max
,(12)
гдеG
a
и F
9
—
в кН; —в м/ч.
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 123 при копании грунта (рис. 1,а). На автогрейдер действуют активные силы: Ga
— вес автогрейдера (кН), силы тяги на ведущих колесах Рк2
и Рк3
. Реактивные силы — суммарные нормальные составляющие реакции на передние R
1
и задние R
'2
и R
'
z
колеса, суммарные касательные составляющие на те же колеса foR
1
, foR
’2
и foR
'
Z
(сопротивления движению колес), составляющие реакции, действующие на отвал, Rx
,
Ry
и Rz
,
боковые горизонтальные реакции F
'1
F'2
, F'3
и F
1
.
При рассмотрении этой системы сил сделаны следующие допущения: пренебрегли смещением реакций R
1
R
'2
и R
'3
вследствие деформации шин, то есть , так как они малы по сравнению с длиной базы L
’
a
; реакции f
0
R
1
,
fQ
R
2
,
f
0
R
'3
,
F
1
,
F
'2
и F
'
Z
,
силы и расположены в одной плоскости на уровне опорной линии колес; составляющие реакций грунта Rx
,
Ry
,
Rz
приложены 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; 2
R
2
'+ 2
R
3
'
= R
2
, которая приложена на оси подвески заднего балансира по оси автогрейдера, соответственно 2
fo
R
’2
+2
fo
R
’3
=
fo
R
2
;
общая сила тяги на ведущих колесах и приложена по оси автогрейдера; боковые реакции на задние оси F
2
'=3
'
и F
2
'+
F
’3
=
F
’1
Рассматривая отвал как косой клин, можно найти соотношения между составляющими реакции грунта, действующими на отвал
где x
1
и х2
определяются по теории косого клина; в среднем x
1
=0,15...0,20; х2
=0,3...0,4.
Считая, что автогрейдер находится в равновесии под действием системы сил и реак
.
Начало координат в точкеО
Совместным решением этих уравнений определяют реакции Rx
,
Ry
,
Rz
,
R
1
,
R
2
,
F
’1
и F
1
Возможность реализации тягового усилия Рк
проверяют 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°.
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
0
— 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 <90° и угле зарезания = 0 (отвал горизонтален) соответственно (м2
)
Sc
=
Lo
hp
=3,7*0,05=0,2 (м2
)
;(5)
Lo
— в м; h
0
глубина 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 123, 112, 133 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)
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 <10°
при >10°
Сопротивление F
8
(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 333, 133, 222 и =0,7...0,75 при схеме 112 и 123; G
а
— 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 (F
8
=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 F
9
— сопротивление воздуха, кН; F8
— по формуле (10), кН.
Сопротивление воздуха (кН)
(кН)
где k
0
— коэффициент обтекаемости; k
0
=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 G
a
— в кН; vp
—
в м/ч; — общий КПД трансмиссии, kB
Ы
X
— коэффициент выходной мощности двигателя; kB
Ы
X
=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 v
т
max
,(кВт)(12)
гдеG
a
и F
9
—
в кН; —в м/ч.
По наибольшему значению N
[формулы (11) и (12)] с коэффициентом запаса = 1,2 ... 1,4 подбирают двигатель
(кВт)