Проектирование скрепера

Применение  элеваторной загрузки обеспечивает высокий коэффициент загрузки ковша  и снижение тягового усилия при заполнении скрепера на 20 – 25%.

Автоматизация работы скрепера значительно облегчает  условия работы и повышает производительность. С помощью автоматического регулирования  можно поддерживать оптимальный  режим работы двигателя, а также  тяговое усилие машины на постоянном уровне регулированием толщины стружки  грунта.

Для повышения точности планировочных  работ при отделке дорожных насыпей  и выемок применяют систему автоматического управления «Стабилоплан», которая обеспечивает автоматическую стабилизацию продольного углового положения ковша скрепера при выполнении планировочных работ.

 

 

 

Рис. 6 - Принципиальные схемы скреперов со скребковым конвейером:

а - набор грунта; б - выгрузка грунта

 

На  тракторе в кабине водителя смонтирован  блок и пульт дистанционного управления, а за кабиной размещен электрозолотник управления. На буфере скрепера установлен датчик углового положения, который включен в электросхему управления и регулирует толщину срезаемой стружки грунта.

Технологические схемы работы. Для разработки грунта заранее составляют схему, по которой  будет работать скрепер. Производительность скрепера зависит от того, насколько  полно используется емкость ковша  и рационально выбирается схема  резания и набора грунта. Рекомендуется  набирать грунт на передаче базовой  машины при скорости 2 - 3 км/ч, при толщине срезаемой стружки от 7 до 35 см, что в свою очередь определяется категорией грунта и мощностью базового тягача и толкача. Трактор-толкач обеспечивает полную загрузку ковша скрепера в плотных грунтах. Наполнение ковша с постепенным выглублением ножа производят при постоянной толщине стружки и ширине резания. Этот способ используют при планировке грунта. Для сокращения времени набора грунта используют ступенчатый способ наполнения ковша. Зарезание грунта при устройстве выемок и разработке резервов ведут по ребристо-шахматной схеме, по которой разработка грунта ведется последовательными рядами проходок, одинаковыми по длине и расположению. При работе скрепера по этой схеме между проходами первого ряда оставляют полосы неразработанного грунта шириной не более 1,3 м. Второй ряд разработок ведется на расстоянии половины длины проходки от первого и расположен по оси оставленных полос грунта. Работа по этой схеме увеличивает заполнение ковша до 110% его геометрической емкости, сокращая при этом на 10 - 15% путь и время набора грунта. По этой схеме скрепер может работать без трактора-толкача. При работе в рыхлых сыпучих грунтах применяют способ, называемый «клевок». По этому способу величина заглубления ковша в 2 раза больше той, которая соответствует устойчивой работе двигателя с полной нагрузкой. При работе базового тягача на неустойчивой характеристике двигателя ковш выглубляется, в это время двигатель снова набирает нужные обороты, и так повторяется до тех пор, пока ковш будет полным.

В зависимости  от расположения забоев относительно мест отсыпки грунта движение скреперов  может быть организовано по различным  схемам. Рациональную схему движения скреперов инженерно-технические  работники выбирают заранее в  проектах производства работ на основании  технико-экономических расчетов, а  также с учетом следующих требований:

– путь транспортирования грунта должен быть кратчайшим;

– забой  должен быть такой длины, чтобы ковш скрепера загружался полностью;

– длина  участка разгрузки должна обеспечивать полную разгрузку ковша;

– при  возведении полотна должны быть въезды и съезды.

Наиболее  распространенными схемами движения скреперов являются: эллиптическая, восьмеркой и зигзагообразная. Кроме этих схем применяют следующие: схему «спираль», поперечно-челночную, продольно-челночную.

Схема гидросистемы скрепера ДЗ-20В показана на рис. 7. Она включает гидрооборудование базового трактора и гидрооборудование прицепного скрепера. В гидрооборудование трактора входит бак для рабочей жидкости, фильтр, гидронасосы, гидрораспределитель с ручным управлением и соединительные трубопроводы. В гидрооборудование скрепера входят два гидроцилиндра двойного действия для подъема и опускания заслонки, два гидроцилиндра для подъема и опускания ковша, одного гидроцилиндра управления задней стенкой, а также оборудование, обеспечивающее управление ковшом при работе системы автоматической стабилизации, реверсивный золотник, предохранительный клапан, обратный клапан и обратный клапан с дросселем.

Рис. 7 - Гидравлическая схема прицепного скрепера 
1 - Сак; 2 - гидронасос; 3 - фильтр; 4 - обратный клапан; 5 - обратный клапан с дросселем;

6 - предохранительный клапан; 7 - гидрораспределитель; 8, 9, 10 - гидроцилиндры;

11. - реверсивный золотник

 

 

 

3. Расчет скрепера

Исходные данные:

Емкость ковша – q = 8 м³

Категория грунта – 2

Вес скрепера без грунта – G = 4500 кг

Скорость движения во время  загрузки – v_р = 2 км/ч = 33 м/мин

Толщина стружки h = 14 см

Длина скребка элеватора  l_э = 2.3 м

Тяговое усилие – 4900 кгс

Мощность двигателя тягача – N = 110 л.с.

 

Ширина ковша

l = м

Путь наполнения скрепера

м

Время наполнения

мин

Производительность элеватора

м³/мин = 0.25 м³/с

Из конструктивных возможностей, связанных с внутренним размером ковша, назначаем высоту скребка  равной h_э = 0.2 м. Принимая коэффициент заполнения пространства между скребками в среднем К_э = 0.4, получим скорость движения скребков

м/с = 136 см/с.

Принимаем с запасом v_э = 150 см/с, тогда

П_э = 1.5∙2.3∙0.2∙0.4∙1.5 = 0.4 т/с

Отсюда необходимая мощность для загрузки скрепера срезанным  грунтом при помощи элеватора

л.с.,

где:

η – к.п.д.;

L_г – горизонтальная составляющая пути перемещения грунта элеватором;

Н – высота подъема грунта;

К – коэффициент

Величина сопротивления  грунта разработке скрепером данной емкости без элеватора

= 11761 кгс,

где

W₁ = l∙h∙K_p = 240∙14∙1.15 = 3860 кгс

W₂ = W₁∙l∙H∙(h+0.44∙H) = 3860∙2,4∙1,25∙(0,14+0,4∙1.25) = 7411 кгс

W₂ = 1350∙q_п= 400 кгс

Расчеты показывают, что  загружать скрепер со свободной  загрузкой следует при помощи толкача, т.к. тягового усилия и мощности тягача достаточно только для резания  грунта.

Вес грунта в скрепере

т

Сопротивление перемещению  машины

W_п = (G+G_г)∙f = (4500+13200)∙0.06 = 1062 кгс

Величина требуемой мощности

л.с.

Суммарная тяговая мощность

л.с.

Мощность, затрачиваемая  на резание

л.с.

Тогда N_Σ – N₁ = 28 л.с., значит в ряде случаев при использовании элеваторной нагрузки возможна работа проектируемого скрепера без толкача, что значительно повышает технико-экономические показатели работы скрепера.

Величина статически полезного  окружного усилия на звездочке

кгс

Принимаем жесткость препятствия  ориентировочно с₁ = 800 кгс/см. Жесткость цепи значительно больше этой величины, поэтому в расчет вводим жесткость препятствия. Ориентировочно вес погонного метра цепи равен 7 кг, общий вес цепи l_ц = 28 м.

Сила инерции

кгс

Суммарная сила на цепи (с  запасом на одну цепь)

кгс

Наибольший рекомендуемый  запас прочности – до 20. Разрушающая  нагрузка:

Р_р = 20∙1459 = 29180 кгс

Выбираем цепь пластинчатую по ГОСТ 588-81 с разрушающим усилием 31.5 кгс и шагом 100 мм. Диаметр звездочки при количестве зубьев z = 16 будет равен

мм

Момент на валу звездочки  при спокойной работе

кгс∙см

На тракторе установлен насос  НШ-46, ему соответствует по удельной производительности гидромотор МНШ-46, развивающий наибольший крутящий момент 690 кгс∙см.

Необходимое передаточное отношение  редуктора равно

Усилия по штокам цилиндров  механизма разгрузки ковша

- ковш в нижнем положении  полностью загружен

кгс,

где G_к = 500 кг – вес ковша

- ковш в крайнем верхнем положении, липкий влажный грунт полностью завис в ковше

кгс

По данным справочника  выбираем два цилиндра D = 140 мм, Р_{ц. макс} = 15390 кгс.

4. Проверка скрепера на устойчивость

В значительной степени безопасность скрепера зависит от его устойчивости. Скрепер при работе испытывает ассиметрично приложенные нагрузки, преодолевает значительные и поперечные уклоны, работает в тяжелых грунтовых  условиях. Действие перечисленных факторов может привести к опрокидыванию  скрепера либо к его остановке из-за недостаточного сцепления ведущих колес с грунтом ввиду перераспределения нагрузок между осями. С увеличением угла α (рис. 6) уменьшается нагрузка на ведущие колеса. Максимальное тяговое усилие Т_max при движении на подъем характеризуется углом φ_СЦ при условии сохранения сцепления ведущих колес с грунтом:

где      R – реакция грунта на ведущих колесах

где        L_M – база скрепера  

, кН

Необходимое для движения скрепера тяговое усилие

где        f – коэффициент сопротивления передвижению скрепера

, кН

Предельный угол подъема  определяем следующим образом:

Предельный угол подъема α_МАХ=15˚

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 - Схема для определения устойчивости по сцеплению

   Устойчивость на  повороте проверяется при движении  по косогору (рис. 9). Появляющаяся в этом случае сила инерции способствует опрокидыванию скрепера:

где        r_п – радиус поворота, м

             ν – скорость движения скрепера,

 кН

Уравнение моментов относительно точки А

Из этого уравнения  можно найти предельное значение либо угла при известной скорости, либо скорости при заданном косогоре, на которых устойчивость не теряется

м/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 - Схема для определения поперечной устойчивости

5. Расчет на прочность

Определение внешних сил  и расчет на прочность узлов и  деталей проводят для положений  скрепера, соответствующих наибольшей нагрузке при нормальной эксплуатации.

Анализ работы скрепера позволяет  установить основные положения для  транспортного режима груженого  скрепера и для режима копания.

Конец заполнения и начало подъема ковша. При расчете скрепера в таком положении конца резания грунта и наполнения ковша принято, что скрепер движется равномерно по горизонтальной поверхности. При этом коэффициент динамики k_д=1. На рис. 8 показана схема сил, действующих на скрепер со всеми ведущими колесами.

 

 

 

 

 

 

Рис. 10 – Схема сил, действующих на скрепер в конце заполнения и начале подъема ковша

На машину действуют активные силы – суммарные окружные силы Р_К1 и Р_К2 ведущих колес по осям, сила G тяжести скрепера с грузом. Реактивными являются вертикальные реакции R₁ и R₂ грунта на оси и силы P_f1 и P_f2 сопротивления движению передних и задних колес и вертикальная реакция R_В грунта на ноже скрепера.

Для упрощения расчета  в конце наполнения ковша толщину  стружки принимаем h = 0.

При определении окружных сил на ведущих колесах

где φ_мах – коэффициент сцепления.

Вертикальная реакция R_В грунта на нож при подъеме груженого ковша действует вниз. Её значение определяют по соотношению

,

где ψ = 0,37÷0,45.

Из уравнения суммы  моментом относительно точки О и суммы проекций сил на оси Х и У, а также учитывая, что