Прямая лопата
Расчетные нагрузки для рабочего оборудования прямой лопаты определяют для наиболее опасных случаев. Эти случаи соответствуют работе в тяжелом грунте при наиболее неблагоприятных комбинациях нагрузок. Например, отрыв препятствия одним зубом ковша при встрече зуба с поверхностью скалы под таким углом, который вызывает наибольшие нагрузки на рабочее оборудование независимо от действия поворотного механизма экскаватора. Основными силами, действующими на рабочее оборудование лопаты, являются сила подъема на блоке ковша FnmM, сила напора FH max, горизонтальная реакция грунта К, приложенная к зубу, появляющаяся при скосе скалы или при включении поворота.
Кроме того, на зуб ковша будет действовать реакция грунта или ее составляющие Р01 и Р02. Сила Р01 может быть вызвана только силой Fn шах» а сила Р02. — активной силой напора Fhamax, а также скосом скалы. В последнем случае сила напора может быть пассивной, так как величина может превышать значение реактивной силы, вызванной силой напора.
Помимо случая копания при длинном рабочем оборудовании могут возникнуть опасные для рукояти и стрелы нагрузки во время поворота с груженым ковшом на полном вылете в момент наибольшего ускорения £тах при торможении. Значения исходных величин при статическом расчете на прочность следует принимать с учетом динамических нагрузок. В соответствии с этим действующие силы подъема и напора ковша надо принимать различными при расчете узлов рабочего оборудования.
Необходимо учитывать, что значения расчетных нагрузок меняются в зависимости от типа привода, конструкции экскаватора, рабочего оборудования и от приложения нагрузки. Так, например, эксцентричное приложение нагрузки к крайнему зубу ковша несколько снизит динамические нагрузки вследствие увеличения податливости системы из-за скручивания рукояти.
Расчет ковша
На ковш действуют силы подъема ковша Fn max, реакция грунта на зубья ковша Р0, сила напора, передаваемая через шарниры Fm и тяги FT рукояти, и сила тяжести ковша GK. Невыгодные положения соответствуют началу копания и концу копания при наибольшем вылете и подъеме ковша и при наибольшем угле подъема стрелы (50...55°). В этих положениях сила подъема будет направлена под углом к задней стенке ковша, наиболее приближающимся к 90°, что вызывает такое же отклонение реакции грунта, что опасно для передней стенки.
Силу Р0 считают приложенной к средним зубьям при их четном числе или к одному среднему зубу при нечетном. При беззубом ковше силу принимают приложенной к средней части кромки. Силу тяжести грунта в ковше не берут в расчет, так как она уменьшает напряжения в ковше. В соответствии с этим оба расчетных положения ковша являются случаями отрыва от препятствия.
Из уравнения моментов относительно конца зуба всех сил, действующих на систему ковш — рукоять, определяют реакцию седлового подшипника N, которую принимают перпендикулярной к рукояти.
Расчет ковша на прочность сводится к расчету ребристой оболочки сложной конфигурации с переменной толщиной стенки.
Расчет рукояти
Как показывает опыт, основные напряжения в рукояти — изгибающие и скручивающие — возникают при копании и повороте с груженым ковшом.
В соответствии с этим расчет рукояти проводят по двум положениям.
1. Рукоять установлена так (рис. 3.6.7), что линия, соединяющая конец зуба с осью напорного вала, горизонтальна, а вылет ковша таков, что подвеска ковша вертикальна (ковш на среднем вылете). Ковш предполагается пустым, так как это увеличивает силу на зубьях ковша. Подобное положение отвечает отрыву крупного препятствия, поскольку при нем реализуется наибольшая сила Р0 на ковше. Такой расчетный случай может иметь место только в очень тяжелых условиях. Угол наклона стрелы принимают минимальным (40°), потому что при этом увеличиваются сила на зубьях ковша и плечо изгиба рукояти.
2. Торможение поворотной платформы с груженым ковшом на полном вылете, расчет ведут различным образом для двухбалочной внешней и однобалочной внутренней рукоятей. Метод расчета двухбалочной внешней рукояти заключается в том, что считают конструкцию седлового подшипника и направляющих полос на стреле имеющими такие зазоры, при каких возможное перемещение рукояти больше, чем деформация, по условиям ее гибкости. Тогда все силы, скручивающие рукоять, заменяют парами сил, которые будут изгибать ее в вертикальной плоскости как балки, заделанные в ковше и нагруженные силами, действующими через седловой подшипник и напорный вал.
Расчет однобалочной рукояти сводится к расчету консольной балки как в первом, так и во втором положениях. Причем в первом положении балка рукояти заделана в ковше, а во втором — в седловом подшипнике.
Расчет стрелы
При всех конструкциях расчет осуществляют для момента копания (рис. 3.6.8): рукоять на полном вылете, стрела под минимальным углом. На стрелу действуют сила подъема (максимальная при многомоторном приводе, рабочая при одномоторном Fn), соответствующая сила в канате лебедки Fn K max и напорная сила FH max, действующая «на себя» перпендикулярно к оси стрелы, сила тяжести стрелы Gc и вызываемые этими внешними силами реактивные силы в канатах подъема стрелы Fnc и пяте стрелы Fc. Кроме того, на ковше сказывается реакция грунта. Незначительным влиянием сил тяжести рукояти и ковша можно пренебречь.
Указанное положение стрелы выбрано потому, что оно дает наибольшее значение изгибающего момента (вызванного силами напора и Gc), который, как показали исследования, вызывает наибольшие напряжения в стреле.
Расчет стрелы заключается в расчете на прочность и жесткость основных сечений стрелы: у напорного вала и у пяты (I). Кроме того, рассчитывают оси головных блоков II и боковые тяги.
Расчет гидрофицированного рабочего оборудования (обратной лопаты и погрузочного оборудования). Этот расчет сводится к расчету ковша в соответствии с расчетной схемой; расчет рукояти и стрелы, представляющих собой балки на двух опорах, выполняют по типовому алгоритму.