Автогрейдер ДЗ-98 (расчеты по модернизации конструкции)
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Исходные данные для проектирования
. Описание автогрейдера
. Расчет автогрейдера
.1 Тяговый расчет автогрейдера
.1.1 Расчёт скорости движения автогрейдера с мех.трансмиссией
.2 Определение конструктивных параметров
.2.1. Расчёт ходового оборудования, колеи и базы автогрейдера
.3 Определение расчетных нагрузок
. Модернизация и расчет рабочего органа
.1 Описание предлагаемой модернизации
.2 Расчет отвала на прочность
.3 Определение мощности привода отвала активного действия
.4 Конструирование вала ролика
.4.1 Предварительный расчёт вала
.4.2 Выбор подшипника
.4.3 Уточнённый расчёт вала
.4.4 Проверка прочности шпоночного соединения
.5 Расчет червячного редуктора механизма поворота отвала
. Расчет устойчивости автогрейдера против опрокидывания
. Технико-экономическая эффективность предложенной модернизации
Библиографический список
Приложение: Инструкция по эксплуатации машины
ВВЕДЕНИЕ.
Автогрейдер относится к землеройно-транспортным машинам, так
как его работа заключается в срезание слоя земли и транспортирование его в заданном
направлении. Это самоходная землеройная машина, так как она снабжена собственной
силовой установкой для привода ведущих колес.
Основное назначение автогрейдеров - планировка и профилирование площадей и
откосов, разравнивание и перемещение грунта, сыпучих материалов при постройке и ремонте
дорог, гидромеханических и других сооружений. Эти работы выполняются отвалом с
режущими ножами, размещенным между передней и задней осями автогрейдера и
подвешенной к его раме. Важное преимущество автогрейдера заключается в том, что им
можно выполнять практически весь цикл земляных работ при строительстве автомобильных
и железных дорог, кончая профилированием земляного полотна.
1.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.
автогрейдер модернизация опрокидывание
L
отв
1.Длина отвала
=4250 мм
H
отв
.Высота отвала
=720 мм
.Вес автогрейдера G =19000 кг
.Колесная формула 1 х 3 х 3
Рис. 1.1. Автогрейдер
2.ОПИСАНИЕ АВТОГРЕЙДЕРА
Автогрейдер предназначен для землеройно-профилировочных работ и служит для
эксплуатации в дорожном строительстве. Автогрейдер Д3-98А как мощную и высоко
эффективную дорожно-строительную машину целесообразно применять при выполнении
особо энергоемких земляных работ большого объема или работ в тяжелых дорожных
условиях.
Автогрейдером выполняются следующие работы:
.Строительство и капитальный ремонт грунтовых и гравийных дорог.
.Устройство в грунтовом полотне нароста под основание дороги.
.Перемещение грунта в насыпь.
.Разравнивание насыпного грунта и планировка поверхности.
.Перемещение инертных материалов со стабилизирующими добавками при
смешивании их на дороге.
.Киркование (разрыхление грунта и изношенных полотен дорог).
.Планировка поверхности больших территорий.
.Очищение дорог и территорий от снежного заноса.
Автогрейдер (рис.2.1.) представляет собой трехосную машину и состоит из двигателя,
трансмиссии, ходовой части, рабочего оборудования, механизмов и систем управления,
рабочего места машиниста.
ДВИГАТЕЛЬ преобразует химическую энергию топлива, сгорающего в его
цилиндрах, в тепловую энергию, а затем в механическую, передаваемую коленчатому валу.
ТРАНСМИССИЯ автогрейдера представляет собой группу механизмов,
предназначенных для передачи вращательного движения коленчатого вала ведущим колесам.
Механизмами трансмиссии производится плавное троганье автогрейдера с места и остановка,
изменение скорости и направления движения. В трансмиссию входят: муфта сцепления,
коробка передач, ведущий мост, карданная передача.
ХОДОВАЯ ЧАСТЬ - совокупность элементов, с помощью которых осуществляется
передвижение автогрейдера и реализация его силы тяги. К ходовой части автогрейдера
относят основную раму с механизмами подвески ведущего моста, переднюю ось с колесами,
а также колеса средней и задней осей, конструктивно объединенных в заднюю тележку.
РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ предназначено для непосредственного выполнения
операций автогрейдера - резание и перемещение грунта или других материалов.
Рабочее оборудование делится на основное, постоянно установленное на машине, и
дополнительное - сменное, предназначенное для вспомогательных операций.
К основному рабочему оборудованию относится отвал 16 с тяговой рамой 18 и
механизмом ее подвески 8, к дополнительному - кирковщик 1.
Механизмы и системы управления предназначены для выбора машинистом
направления движения автогрейдера, изменения положения рабочего оборудования в
процессе работы, быстрой остановки двигателя автогрейдера или удержания его на месте,
запуска двигателя, освещения и сигнализации. Механизмы и системы управления включают в
себя : рулевое управление, гидросистему, тормоза и электрооборудование.
К рабочему месту машиниста относится: кабина 10 с сидением, пультами управления,
система обогрева, вентиляция.
Различают рабочий и транспортный режимы автогрейдера. Основной рабочий режим
заключается в срезании и перемещении грунта.
При транспортном режиме, необходимом для передвижения машины к месту работы,
отвал 16 максимально поднимают. Работа автогрейдера в этом режиме практически не
отличается от работы обычных транспортных средств.
Рис. 2.1. Автогрейдер.
-кирковщик; 12-капот;
-гидроцилиндр кирковщика; 13-крыло;
-передняя фара; 14-масляный фильтр
-основная рама; гидросистемы;
-рулевое управление; 15-поворотный круг;
-карданная передача привода 16-отвал;
переднего моста; 17-гидроцилиндр выноса
-гидроцилиндр подъема и опускания тяговой рамы;
отвала; 18-тяговая рама;
-подвеска тяговой рамы; 19-редуктор поворота
-фары кабины; отвала;
-кабина; 20-гидромотор.
-воздухоочиститель;
3. РАСЧЕТ АВТОГРЕЙДЕРА
.1 ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОГРЕЙДЕРА
Рис. 3.1. Схема сил, действующих на автогрейдер
Общий вес автогрейдера G связан со сцепным весом следующим образом, кг по ( 5):
где:
Q
коэффициент использования сцепного веса.
Коэффициент данный - величина переменная и зависит, в основном, от коэффициента
где:
V
ф
- фактическая скорость движения автогрейдера при выполнении им заданной
км
рабочей операции,
ч .
Наблюдения за работой автогрейдеров в эксплуатационных условиях показывает, что
при вырезания кювета фактическая рабочая скорость машины без применения автоматов не
км
может превышать 4
ч .
3.1.1 РАСЧЕТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ АВТОГРЕЙДЕРА С МЕХАНИЧЕСКОЙ
ТРАНСМИССИЕЙ
Автогрейдер имеет два четко выраженных диапазона работы.
Первый диапазон соответствует силовым режимам работы - вырезанию стружки,
планировке, работе с дополнительными навесным оборудованием.
Второй, транспортный диапазон, соответствует скоростными режимами двигателя,
имеющий место при патрулировании дорог, передвижение к месту работы, снегоочистке и т.
п.
Для механической трансмиссии минимальное число скоростей в каждом диапазоне
должно быть не менее трех.
Передаточное число рабочей передачи.
Проходимость автогрейдера обеспечивается при наличии скорости, позволяющей
развить на ведущих колесах максимальное усилие по сцеплению без заглохания двигателя.
Максимальная касательная сила тяги по сцеплению, развивающаяся на ведущих
колесах.
3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Основным рабочим органом автогрейдера является отвал, размеры которого должны
быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить выполнение всех требуемых работ.
L
H
от
от
Основными параметрами отвала являются длина -
и высота по хорде
Длина должна обеспечивать вырезание стружки и перемещение на необходимое расстояние,
а высота - формирование валика грунта и перемещение его перед отвалом.
L
4250
от
Длина и высота являются исходными данными для проектирования:
мм.,
H
720
от
мм.
Форма профиля отвала автогрейдера оказывает существенное влияние на
энергоемкость процесса копания. Меньшей энергоемкостью обладает отвал, профиль
которого выполнен по дуге постоянного радиуса. Величина радиуса зависит от угла резания
H
от
, высота отвала
и угла отваливания
(рис.3.1).
Рис.3.2. Схема отвала автогрейдера.
.2.1 РАСЧЕТ ХОДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ, КОЛЕИ И БАЗЫ АВТОГРЕЙДЕРА
Ходовое оборудование автогрейдера должно обеспечивать создание устойчивого
тягового усилия, иметь необходимое сопротивление перекатыванию и хорошо
приспосабливаться к неровностям местности.
Пневматические шины с регулируемым давлением достаточно удовлетворяют
поставленным требованиям.
Шины выбираются по нагрузкам, приходящимся на колеса.
Нагрузка на одно колесо переднего моста, кг.
L
B
0
0
Размер базы
, колеи
и связанного с ними радиуса поворота автогрейдера nr
(рис.3.2) выбираем такими, чтобы машина имела наименьшие размеры и было возможно
маневрировать отвалом. Учтем, что чем больше отвал к задней оси автогрейдера, тем лучше
его планирующая способность.
Рис.3.3. Параметры автогрейдера.
Расстояние от точки крепления тяговой рамы к передней оси до оси вращения отвала
определяем из условия полноповоротности отвала. Поэтому минимальный размер базы
автогрейдера; мм.
.3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК.
На автогрейдер действуют все внешние силы, приложенные к автогрейдеру.
Расчетные положения автогрейдера выбирают так, чтобы:
-
первое расчетное положение соответствовало действию основных нагрузок;
-
второе расчетное положение - действию случайных нагрузок;
третье расчетное положение - аварийному нагружению основной рамы.
Первый расчетный случай.
При первом расчетном случае на автогрейдер действуют максимальные нагрузки,
возникающие в условиях нормальной эксплуатации.
Причем, сочетания возможных нагрузок выбираем таким образом, чтобы основная
рама находилась в наиболее неблагоприятных условиях нагружения.
Такие условия имеют место в конце зарезания, когда передний мост вывешен и
упирается в край кювета; задние колеса буксуют на месте, отвал режет одним краем, а
Величину подъемного усилия определяют для самого невыгодного положения, при
котором отвал заглублен одной стороной, на него действует горизонтальная реакция грунта, а
угол захвата равен 90
0 . Принимаем, что сила тяжести отвала, поворотного круга и тяговой
рамы сосредоточены в центре тяжести системы, вертикальная составляющая грунта
направлена вниз и препятствует выглублению отвала.
Расчет деталей подъемного механизма на прочность производим для случая
вывешивания передней оси автогрейдера на отвал.
Отвал поворачивают в горизонтальной плоскости только в переднем положении.
Поэтому небольшие усилия, возникающие в механизме поворота, а затем также мощность,
расходуемые на поворот отвала не рассчитываем.
Второй расчетный случай соответствует действию на автогрейдер случайных
нагрузок, возникающих при встрече отвала автогрейдера с трудно преодолимыми
препятствиями.
Для определения динамических нагрузок схематически представим автогрейдер в виде
жесткой рамы, с массой, расположенной в центре тяжести
(рис.3.4). Податливость
металлоконструкции сосредоточим в точке 0 (место контакта отвала с препятствием) в виде
пружины с жесткостью С1 , соответствующей жесткости металлоконструкции автогрейдера.
Рис. 3.4.Схема сил, действующих на автогрейдер во втором случае
Дополнительная динамическая нагрузка, Н:
Рис.3.5.Схема сил, действующих на автогрейдер
Третий расчетный случай предполагает такое нагружение элементов автогрейдера,
которое приводит к необратимым явлениям (большие пластические деформации, поломки и
т.д.). Так как заранее нельзя предусмотреть все возможные случаи аварийного нагружения, то
расчет в этом случае не выполняется.
4.
МОДЕРНИЗАЦИЯ И РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ОРГАНА
.1 ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ
В качестве сменного оборудования к автогрейдеру используем роликовый отвал
активного действия. Устройство его показано на рис. 4.1. В отвале 1, имеющим такие же
размеры и кривизну, как и основной отвал, вырезано окно, в котором установлены в ряд
восемь вертикальных 3 и два наклонных ролика. Последние располагаются по концам отвала.
Два их восьми вертикальных роликов имеют меньшую, чем остальные, высоту также
располагаются по одному с правой и левой стороны отвала после наклонных роликов. Таким
образом, относительно оси автогрейдера рамки расположены симметрично. Все они имеют
криволинейный профиль, аналогичный профилю отвала. Между роликами установлены с
небольшим (2-3 мм) зазором листовые вставки для предотвращения попадания в окно грунта.
Валы вертикальных роликов вращаются в подшипниках качения, стаканы которых
установлены в верхней 8 и нижней 9 обвязках отвала. Ролики сидят на валах на шпонках.
На верхних концах роликов капитально насажены цилиндрические косозубые
шестерни, которые вместе с промежуточными зубчатыми колесами, установленными между
каждой парой основных шестерен, образуют рядовую зубчатую передачу, располагающуюся
в кожухе 4.
Рис. 4.1. Роликовый отвал активного действия
Отвал. 5. Козырек.
1. Наклонный ролик. 6. Цилиндрический одноступенчатый
2.
Вертикальный ролик. редуктор.
Кожух. 7.Гидродвигатель.
8,9. Верхняя и нижняя обвязка отвала.
Крайний правый (по ходу автогрейдера) вал приводится во вращение от
гидродвигателя 7 через цилиндрический одноступенчатый редуктор Наклонные ролики 2 на
подшипниках установлены на осях, закрепленных в обвязках отвала. Вращение их
осуществляется за счет фрикционной передачи, выполненной в виде резинового
промежуточного ролика, который прижимается пружиной к рабочим поверхностям
наклонного и малого вертикального роликов. Вращение приводных роликов может
реверсироваться за счет изменения направления вращения гидродвигателя, что
осуществляется рукояткой гидрораспределителя. Это дает возможность работать как левым,
так и правым концом отвала. Для предохранения от пересыпания грунта отвал оборудован
козырком 5.
За счет замены трения скольжением по отвалу трением качения подшипников, на
которых установлены рамки, а также за счет принудительного привода роликов, уменьшается
сопротивление грунта перемещению у роликового отвала. Значительно уменьшается и
сопротивление от перемещения призмы волочения, объем которой при скорости вращения
роликов, превышающей скорость движения автогрейдера, приближается к нулю. Вследствие
этого автогрейдер может работать на повышенных скоростях, что увеличивает его
производительность.
Возможность работы автогрейдера на повышенных скоростях увеличивает также
долговечность работы деталей трансмиссии.
4.2 РАСЧЕТ ОТВАЛА НА ПРОЧНОСТЬ
P
x
Рассмотрим случай нагружения отвала максимальной реакцией грунта
,
приложенной на конце отвала, находящегося в положении наибольшего выноса в сторону
относительно кронштейнов. При этом считаем, что сила xP действует по оси симметрично
отвала, изгибая его в горизонтальной плоскости и пренебрегаем напряжениями,
возникающими в нем от кручения. Таким образом, расчет отвала сведены к расчету его изгиб
как колесами (рис.4.2)
Рис.4.2.Схема сил расчета отвала.
4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПРИВОДА ОТВАЛА АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Так как рабочее давление гидросистем автогрейдера равна 10 МПа, а в принятом
гидродвигателе 21МПа, то крутящий момент будет в два раза меньше и составит 1700 Нм В
дальнейшем расчет будем производить при значении момента Т = 1700 Нм.
4.4 КОНСТРУИРОВАНИЕ ВАЛА РОЛИКА
Основные нагрузки, вызывающие изгиб валов, - силы в зубчатых зацеплениях от сил
трений во фрикционных передачах.
В цилиндрической косозубой передачи сила взаимодействия между колесами
раскладываются на три составляющие:
- окружную, Н:
Рис.4.3. Расчетная схема вала.
.4.2 ВЫБОР ПОДШИПНИКА
Для опоры вала выбираем радиально-упорный сферический шарикоподшипник 1317.
Данный подшипник выносит радиальные и небольшие осевые нагрузки. Благодаря
способности самоустанавливаться, оси допускают несоосность посадочных мест (переносы)
до 2 - 30 .
Рис. 4.4. Шарикоподшипник радиальный сферический двухрядный ГОСТ 2720-75
Выбранный подшипник подходит.
Долговечность соответствует 90%-ной надежности и распространяется на обычные
подшипниковые стали при нормальных условиях эксплуатации.
.4.3 УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ВАЛА
Уточненный расчет состоит в определении коэффициентов запаса прочности S
.4.4 ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ ШПОНОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Размеры сечений шпонок и пазов и длины шпонок по ГОСТ 23360 - 78.
Материал шпонок - сталь нормализованная.
Соединение проверяем на смятие, МПа:
РАСЧЕТ УТОЙЧИВОСТИ АВТОГРЕЙДЕРА ПРОТИВ ОПРОКИДЫВАНИЯ
При работе автогрейдера на косогоре и при планировании откосов
насыпей ( рис. 5.1.) появляется составляющая Р, которая суммируется с боковой силой
(см. рис. 3.5.). Последняя появляется при резании грунта.
Рис. 5.1. Схема сил, действующих на колеса на косогоре.
Общая сила, которая перемещает переднюю, ось машины вниз по косогору, будет
равна:
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛОЖЕННОЙ
МОДЕРНИЗАЦИИ.
Эффективность использования автогрейдера на различных видах земляных работ
определяют по его эксплуатационной производительности. Она зависит от вида
производимых работ, грунта и его состояния, организации и использования времени работы.
При профилировании земляного полотна и гравийных работ, планировке обочин
производительность автогрейдера определяем по участку земляного полотна или дороги,
сооружаемой за час работы, км/ч.
Показатель эффективности показывает, что после модернизации производительность
автогрейдера повысилась на 66% за счет того, что земляные работы проводились ни на
первой передаче, как обычно, а на второй, что увеличило производительность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. «Конструирование узлов и деталей машины». Учебное пособие
для ВУЗов.- М.: Высшая школа, 1985, 415 стр.
.Ронинсон Э.Г. «Автогрейдеры». М.: Высшая школа, 1986, 223 стр.
. Королев А.А.
«Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов».
«Металлургия», М. 1969, 452 стр.
. Севров К.П., Горячко Б.В., Покровский А., «Автогрейдеры. Конструкция, теория, расчет»
М.: «Машиностроение», 1970, 315 стр.
. Гаркави И.Г. ,Ариченков В.И., Карпов В.В. и др. «Машины для земляных работ». Учебник -
М.; Высшая школа, 1982, 335 стр.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИНЫ.
Перед запуском двигателя и опробованием автогрейдера вхолостую проверяет по
карте смазки количество смазочного материала и уровень масла в заправочных емкостях,
уровень охлаждающей жидкости в системе охлаждения, а также плотность электролита в
аккумуляторах.
Запускаем двигатель. Положение рычагов трансмиссии и управления должно быть
нейтральным, а ручной тормоз затянут.
После запуска двигателя следят за показаниями приборов, главным образом, за
давлением масла в системе двигателя, которое должно составлять 0,35«..0,5 МПа, и наличие
зарядного тока аккумуляторных батарей.
При отсутствии давления в смазочной системе дизель немедленно останавливают.
Для трогания с места автогрейдера выключают ручной тормоз, выжимают педаль
муфты сцепления, подают предупредительный сигнал, постепенно отпускают педаль муфты
сцепления и, добавляя подачу топлива, начинают движение.
Управление движением автогрейдера заключается, главным образом, в управлении
рулевым колесом и изменении скорости, т.е. выборе передачи в соответствии с условиями
движения. В процессе копания, кроме того, управляют положением рабочего органа.
При переключении скоростей механических коробок передач выполняют следующие
основные правила, обеспечивающие быстрое и бесшумное включение выбранной скорости.
Для перехода с нижней скорости на высшую рычаг переключения передач слегка
задерживают в нейтральном положении для того, чтобы уравнялись частоты вращения
зубчатых колес и кареток, и затем быстро переводят в нужное положение.
Задний ход можно включить толь после полной остановки.
Первую передачу автогрейдеров используют, главным образом, при выполнении работ
в особо тяжелых условиях, грубом профилировании, кирковании; вторую - при резании и
перемещении грунта; третью - при планировке и использовании автогрейдера для очистки
дорог от снега.
Высшие передачи применяются в транспортном режиме и выбираются в зависимости
от состояния и покрытия дороги.
Торможение может быть вызвано необходимостью прекратить движение машины или
экстренно остановить ее в связи с внезапно возникшим препятствием.
Управление рабочим оборудование включает в себя установку отвала в исходное
положение и управление в процессе работы. Установка отвала в исходное рабочее положение
существенно влияет на производительность автогрейдера и характеризуется тремя углами:
угол захвата, угол наклона ножа, угол резания.
При уменьшении угла захвата ножа скорость перемещения грунта вдоль отвала
увеличивается, тем самым повышается количество перемещенного грунта в единицу
времени, т.е. производительность возрастает. Следовательно, необходимо стремиться к
уменьшению угла захвата ножа. Однако при уменьшении угла захвата появляется боковой
занос автогрейдера, что затрудняет управление им. С другой стороны, с уменьшением захвата
отвала снижается дальность перемещения грунта.
Угол наклона ножа к горизонту влияет на скорость перемещения грунта вдоль отвала,
которая уменьшается при увеличении угла наклона, снижая производительность
автогрейдера.
Угол резания ножа влияет на величину сопротивления грунта резанию, которое
снижается с уменьшением угла. Таким образом, для разных условий работы автогрейдера
предусмотрены выгодные положения отвала.
Угловые положения отвала машинист задает с помощью привода рабочего
оборудования. Угол резания устанавливается, поворачивая отвал упором ножа в грунт. Выкос
отвала в обе стороны, в том числе и для планировки и срезания откосов, осуществляется с
помощью привода.
Управление положением отвала в процессе работы заключается, главным образом, в
регулировании толщины срезаемой стружки.
При управлении рычагами гидрораспределителя рабочих органов соблюдают
следующие основные правила: включение производят быстро и до конца; нельзя нажимать на
рычаг с большой силой, чем это необходимо для удержания его во включенном состоянии;
немедленно отпускают рычаг, как только рабочий орган доходит до предельного положения.
При навеске в качестве сменного рабочего оборудования ремневого отвала активного
действия реверсирование вращения приводных роликов осуществляется за счет изменения
направления вращения гидродвигателя. Это осуществляется рукояткой распределителя, что
дает возможность работать как левым, так и правым концами отвала.
При перемещении призмы волочения при использовании роликового отвала,
автогрейдер может работать на повышенных скоростях, что увеличивает его
производительность.