Статический расчет экскаваторов представляет собой комплексный инженерный анализ, направленный на обеспечение безопасной и эффективной работы машины. Основными задачами такого расчета являются: проверка уравновешенности поворотной платформы, оценка общей устойчивости экскаватора, определение нагрузок в роликах и захватывающих устройствах опорно-поворотного круга, а также вычисление опорных реакций и давления на грунт.
Уравновешенность поворотной платформы
Цель уравновешивания платформы — обеспечить, чтобы результирующая сила тяжести всех вращающихся частей (включая механизмы и рабочее оборудование) при любом положении поворота оставалась в пределах проекции опорного круга. Это критически важно как для работы с полной нагрузкой, так и без нее. Для многоковшовых экскаваторов данное условие распространяется и на отвальную консоль.
В процессе эксплуатации одноковшовых экскаваторов малой и средней мощности на максимальном вылете допускаются кратковременные отрывающие нагрузки в центральной цапфе или захватывающих роликах.
Баланс платформы определяется соотношением двух ключевых моментов: удерживающего момента (My), создаваемого силой тяжести всех вращающихся частей (кроме рабочего оборудования), и опрокидывающего момента (M0), возникающего от веса выдвинутого рабочего оборудования с грузом.
При проектировании рабочего оборудования (например, стрелы драглайна) зачастую задаются вместимость ковша или длина стрелы. Если изменение этих параметров нежелательно, инженеры могут варьировать диаметр опорной базы в определенных пределах. Таким образом, задача уравновешивания сводится к оптимизации ряда переменных параметров конструкции.
Платформа считается уравновешенной, если соблюдены два основных условия:
— Равнодействующая сил тяжести не выходит за пределы многоугольника, образованного точками контакта опорных катков с поворотным кругом.
— Величины смещения равнодействующей вперед и назад относительно центральной цапфы должны быть равны.
Достигается это балансировкой за счет рационального размещения механизмов на платформе и подбора оптимальной массы противовеса.
Расчет для прямой лопаты
Массу противовеса для прямой лопаты определяют для двух расчетных положений:
I. Ковш опущен на грунт (момент от сил тяжести ковша и рукояти равен нулю). Это соответствует началу копания при ослабленном подъемном канате.
II. Груженый ковш выдвинут на 2/3 максимального вылета рукояти.
Последовательность расчета для драглайна аналогична расчету для прямой лопаты.
Расчет для роторных и цепных экскаваторов
Для экскаваторов с выдвижной стрелой (роторных) массу противовеса и условия равновесия определяют для ряда положений стрелы: от максимально выдвинутой до вдвинутой и от поднятой до опущенной. Подвижный противовес при этом соответственно перемещается. Расчет ведется с учетом сил сопротивления копанию на рабочем органе. Равновесие находят из уравнения моментов относительно оси поворота, а массу противовеса определяют методом последовательных приближений, используя формулу для смещения равнодействующей.
Для цепных экскаваторов методика расчета схожа, но влияние сил сопротивления копанию на уравновешенность обычно меньше. Иногда для уменьшения массы противовеса увеличивают ход его подвижной части по сравнению с ходом ковшовой рамы. Сложные кинематические схемы могут предусматривать изменение положения противовеса при изменении угла наклона стрелы.
Устойчивость экскаватора
Коэффициент устойчивости (γ) — это ключевой показатель безопасности, определяемый как отношение суммарного удерживающего момента (My) к суммарному опрокидывающему моменту (M0). Расчет ведется относительно оси, проходящей по краю опорной базы (гусениц или шагающего устройства). Необходимое условие: γ > 1.
Устойчивость прямой лопаты
Расчет проводят для возможности реализации максимальных усилий при работе поперек гусениц. Рассматривают четыре основных случая:
1. Отрыв тяжелого препятствия: средний вылет, вертикальный подъемный канат, пустой ковш. Определяют максимальную силу на зубьях ковша.
2. Наиболее неблагоприятный режим нормальной работы: груженый ковш на полном вылете с учетом рабочих сил подъема и напора.
3. Движение на максимальный подъем.
4. Спуск по максимальному уклону.
Для случаев 3 и 4 дополнительно учитывают ветровую нагрузку. Рекомендуемый запас устойчивости: для рабочих режимов 1.05–1.1, для передвижения — не менее 1.2. Важно также контролировать максимальное давление на грунт, чтобы избежать проседания.
Устойчивость драглайна, роторного и цепного экскаваторов
Драглайн: Устойчивость проверяют при работе на уклоне 10–12°, с максимально поднятой стрелой и груженым ковшом на полном вылете, учитывая центробежные силы при повороте. Давление в крайней точке опоры не должно превышать 0.25 МПа.
Роторный экскаватор: Проверку проводят для аварийного случая (ротор опущен на землю) при полной загрузке конвейера противовеса, учитывая ветровую нагрузку и крайние положения стрелы.
Цепной экскаватор: Устойчивость также проверяют для аварийной ситуации, когда ковшовая рама упирается в уступ, а противовес отодвинут назад.
Нагрузки в элементах опорно-поворотного устройства
На поворотную платформу в процессе работы действует система сил, которую можно свести к трем основным составляющим: вертикальной силе (G), отрывающей силе (S) и сдвигающей силе (T). Для предотвращения опрокидывания при превышении опрокидывающего момента над удерживающим используются захватывающие устройства (гайка на цапфе или подхватывающие ролики).
Конструкция с свободными роликами
В такой конструкции платформа опирается на множество роликов (>100), размещенных по кругу в сепараторе. Если равнодействующая нагрузок приложена в пределах "ядра сечения" опорного круга (малый эксцентриситет), то все ролики работают на сжатие. Распределение нагрузки по окружности подчиняется трапецеидальному закону, с максимальным значением на ролике, находящемся в плоскости действия нагрузки.
Статический расчет является фундаментальным этапом проектирования, гарантирующим надежность, безопасность и долговечность экскаватора в различных условиях эксплуатации.