Прямая лопата
Прочностной расчет рабочего оборудования прямой лопаты выполняется для наиболее опасных эксплуатационных режимов. К ним относится работа в тяжелых грунтах и при неблагоприятных сочетаниях нагрузок. Типичный пример — отрыв препятствия одним зубом ковша при его контакте со скальной поверхностью под углом, вызывающим максимальные напряжения в элементах конструкции, независимо от работы поворотного механизма.
Основные силовые факторы, воздействующие на оборудование, включают: максимальное усилие подъема на блоке ковша (Fn max), предельное усилие напора (FH max), горизонтальную реакцию грунта (K) на зуб при сколе породы или во время поворота платформы.
На режущую кромку также действуют составляющие реакции грунта P01 и P02. Сила P01 обусловлена в основном усилием подъема Fn max, а P02 — активным усилием напора FH max или процессом скалывания. В последнем случае напорное усилие может носить пассивный характер, если его величина превышает реактивную силу от напора.
Помимо режима копания, опасные нагрузки на рукоять и стрелу возникают при повороте платформы с груженым ковшом на максимальном вылете в момент пикового ускорения или торможения (εmax). При статических расчетах на прочность величины исходных сил (подъема и напора) необходимо принимать с учетом динамических коэффициентов, причем эти коэффициенты могут различаться для разных узлов рабочего оборудования.
Важно отметить, что расчетные нагрузки варьируются в зависимости от типа привода, конструктивных особенностей экскаватора, вида рабочего оборудования и характера приложения нагрузки. Например, эксцентричное нагружение крайнего зуба ковша может несколько снизить динамические воздействия за счет повышения податливости системы вследствие скручивания рукояти.
Расчет ковша
Конструкция ковша испытывает действие следующих сил: максимальное усилие подъема Fn max, реакция грунта на зубья P0, усилие напора, передаваемое через шарниры Fm и тяги FT рукояти, а также собственный вес ковша GK.
Наиболее неблагоприятными считаются два положения: начало копания и его завершение при максимальном вылете и подъеме ковша, а также при наибольшем угле подъема стрелы (50–55°). В этих позициях направление силы подъема приближается к перпендикуляру относительно задней стенки ковша, что вызывает аналогичное отклонение реакции грунта и создает критическую нагрузку на переднюю стенку.
Реакцию грунта P0 условно прикладывают к средним зубьям (при четном их количестве) или к одному центральному зубу (при нечетном). Для беззубого ковша силу принимают приложенной к середине режущей кромки. Вес грунта в ковше в расчет не принимается, так как он снижает напряжения в конструкции. Таким образом, оба расчетных случая моделируют процесс отрыва ковша от препятствия.
Реакцию в седловом подшипнике (N), которую считают перпендикулярной оси рукояти, определяют из уравнения моментов всех сил, действующих на систему «ковш–рукоять», относительно конца зуба.
Прочностной расчет ковша представляет собой сложную задачу анализа ребристой оболочки переменной толщины со сложной геометрией.
Расчет рукояти
Опыт эксплуатации показывает, что основные напряжения в рукояти — изгибающие и крутящие — возникают в двух ключевых режимах: процессе копания и повороте с груженым ковшом. Соответственно, расчет ведется для двух расчетных положений.
1. Положение при копании. Рукоять устанавливают так, чтобы линия, соединяющая конец зуба с осью напорного вала, была горизонтальна, а подвеска ковша — вертикальна (ковш на среднем вылете). Ковш считается пустым, что увеличивает силу на зубьях. Данное положение моделирует отрыв крупного препятствия и реализует максимальную реакцию P0. Оно характерно для работы в исключительно тяжелых условиях. Угол наклона стрелы принимают минимальным (около 40°), так как это увеличивает как силу на зубьях, так и плечо изгибающего момента, действующего на рукоять.
2. Положение при повороте. Расчет для режима торможения поворотной платформы с груженым ковшом на полном вылете выполняется по-разному для двухбалочных (внешних) и однобалочных (внутренних) рукоятей.
Методика для двухбалочной рукояти предполагает, что зазоры в седловом подшипнике и направляющих на стреле допускают перемещения, превышающие деформации от гибкости рукояти. В этом случае все скручивающие усилия заменяются парами сил, которые изгибают рукоять в вертикальной плоскости как балку, защемленную в ковше и нагруженную силами, передаваемыми через седловой подшипник и напорный вал.
Расчет однобалочной рукояти в обоих положениях сводится к расчету консольной балки. В первом положении балка условно защемлена в ковше, а во втором — в седловом подшипнике.
Расчет стрелы
Расчет стрелы для всех конструктивных схем проводят для момента копания: рукоять на полном вылете, стрела под минимальным углом.
На стрелу действует комплекс сил: усилие подъема (Fn — максимальное для многомоторного привода или рабочее для одномоторного), соответствующее ему усилие в канате подъемной лебедки (Fn K max), напорное усилие (FH max), направленное «на себя» перпендикулярно оси стрелы, собственный вес стрелы (Gc), а также реактивные силы в канатах подъема стрелы (Fnc) и в ее пяте (Fc). Косвенно учитывается и реакция грунта на ковш. Весом рукояти и ковша обычно пренебрегают ввиду их незначительного влияния.
Выбранное положение стрелы обеспечивает наибольшее значение изгибающего момента (от сил напора и Gc), который, как подтверждают исследования, вызывает максимальные напряжения в конструкции.
Расчет включает проверку на прочность и жесткость ключевых сечений стрелы: в зоне напорного вала и у пяты (сечение I). Дополнительно рассчитывают оси головных блоков (сечение II) и элементы боковых тяг.
Расчет гидравлического оборудования. Методика расчета рабочего оборудования обратной лопаты и погрузочного оборудования имеет свои особенности. Расчет ковша выполняется по соответствующей схеме, а рукоять и стрела, представляющие собой балки на двух опорах, рассчитываются по типовым алгоритмам для подобных конструкций.