Статический расчет экскаваторов имеет целью определить: уравновешенность поворотной платформы, устойчивость экскаватора, силы в роликах и захватывающих устройствах опорно-поворотного круга, опорные реакции и давления на основание (грунт).
Уравновешенность поворотной платформы
Уравновесить поворотную платформу — значит устранить выход результирующей силы тяжести платформы с механизмами и рабочим оборудованием за пределы периметра опорного круга при повороте платформы (и отвальной консоли — для многоковшового экскаватора) с полной нагрузкой и без нее на рабочем органе.
В процессе экскавации у одноковшовых экскаваторов с малой и средней вместимостью ковша при максимальном вылете рукояти допускаются отрывающие нагрузки в центральной цапфе или захватывающих роликах.
Удерживающий момент Му образуется от равнодействующей сил тяжести всех вращающихся частей экскаватора (за исключением рабочего оборудования) на плече относительно оси вращения платформы. В противоположном направлении на платформу экскаватора действует опрокидывающий момент М0 от силы тяжести рабочего оборудования с грузом, выдвинутым на максимальный вылет.
При определении оптимальных размеров рабочего оборудования, например драглайна, основной заданной величиной является вместимость ковша или длина стрелы. Если обе величины изменять нежелательно, то прибегают к изменению диаметра опорной базы (в известных пределах). Таким образом, расчет уравновешенности платформы сводится к задаче, в которой среди принятых и заданных величин имеются такие, которые могут быть изменены.
Платформу считают уравновешенной, если при любых возможных положениях поворотной части с ковшом (порожним или груженым) соблюдаются следующие необходимые условия:
— равнодействующая сил тяжести вращающихся частей с рабочим оборудованием не должна выходить за периметр многоугольника, образованного соединением точек касания опорных катков с поворотным кругом;
— перемещения равнодействующей вперед или назад по отношению к центральной цапфе должны быть одинаковыми по величине.
Уравновешивание поворотной платформы достигается соответствующим размещением всех механизмов на поворотной платформе и выбором массы противовеса.
Прямая лопата (рис. 3.6.10). Массу противовеса определяют для двух расчетных положений: I — ковш опущен на почву (силы тяжести ковша и рукояти не создают момента); II — груженый ковш выдвинут на 2/3 вылета рукояти.
Первое положение соответствует возможности смешения равнодействующей назад и отвечает, например для рабочего оборудования лопаты, моменту начала копания при ковше, лежащем на земле (см. рис. 3.6.10, а, положение I). При этом подъемный канат ослаблен.
Последовательность расчета уравновешенности платформы драглайна такая же, как и для прямой лопаты.
Роторный экскаватор. Для экскаватора с выдвижной стрелой массу противовеса и условия уравновешенности платформы определяют для ряда последовательных положений стрелы: от максимально выдвинутой (если она выдвижная) до максимально вдвинутой и от поднятой на максимальную высоту до опущенной на максимальную глубину.
Подвижный противовес (если имеется) соответственно отодвинут на наибольшее расстояние от оси поворота экскаватора или таким же образом придвинут к ней. Для всех случаев определяют величину смешения равнодействующей сил тяжести поворотной части (без учета сил тяжести стрелы, ротора и противовеса) от оси вращения поворотной платформы.
Равновесие поворотной платформы находят из уравнения моментов относительно оси поворотной платформы экскаватора. Плечи действия сил устанавливают по чертежу. Кроме сил тяжести учитывают также силы сопротивления на рабочем органе при копании. В зависимости от положения ковша на роторе определяют вертикальную и горизонтальную составляющие сил сопротивления копанию.
Массу противовеса и величину его перемещения устанавливают методом последовательных приближений с учетом массы породы на роторной стреле; при этом величину смещения е равнодействующей силы тяжести от оси вращения поворотной платформы находят с учетом массы поворотной части с надстройкой m пч по формуле
Для экскаватора с выдвижной стрелой расчет проводят аналогичным образом.
Цепной экскаватор. Уравновешенность его платформы рассчитывают в той же последовательности, как и для роторного экскаватора. При этом следует иметь в виду, что у цепного экскаватора силы сопротивления копанию значительно меньше влияют на уравновешенность платформы. Иногда у цепных экскаваторов ход подвижного противовеса делают большим, чем ход ковшовой рамы, что позволяет уменьшить массу противовеса. Если ковшовая рама не перемещается по горизонтали, а только поворачивается и экскаватор должен работать с верхним или нижним черпанием, то подвижной противовес при подъеме ковшовой рамы из нижнего до горизонтального положения отодвигается от оси экскаватора, а при дальнейшем подъеме (для верхнего черпания) приближается к ней. Это достигается переключением передач в лебедке противовеса.
Устойчивость экскаватора
Коэффициент устойчивости экскаватора определяют отношением суммарного момента удерживающих сил Му к суммарному моменту опрокидывающих сил М0, взятых относительно оси, проходящей по краю опорных катков гусеничного или базы шагающего ходового устройства. Значение коэффициента должно быть > 1, т.е. должно соблюдаться условие
Прямая лопата. Расчет устойчивости проводят исходя из условия, что экскаватор должен иметь возможность реализовать максимальные силы на ковше при работе поперек гусениц. Опрокидывающий М0 и удерживающий Л/у моменты рассчитывают по отношению к оси, проходящей по краю опорных катков (точка С на рис. 3.6.10).
Расчет ведут для четырех основных случаев: 1) отрыв тяжелого препятствия; 2) наиболее неблагоприятный случай нормальной работы; 3) движение на наибольший преодолеваемый подъем; 4) спуск по наибольшему уклону.
В первом случае принимают средний вылет рукояти ковша, при котором подъемный канат имеет вертикальное направление, а зубья ковша находятся на уровне оси напорного вала; экскаватор стоит на горизонтальной площадке; ковш пустой. Сила в подъемном канате максимальная.
Из уравнения моментов относительно оси напорного вала определяют максимальную силу Р01 тах на зубьях ковша. При этом момент на валу двигателя подъема близок к стопорному. Так как вся мощность затрачивается на подъем ковша, напорную силу в расчет не берут. Опрокидывающий момент представляет собой сумму произведений касательной силы Р01>01 max’ сил тяжести ковша, рукояти и стрелы на соответствующие плечи сил.
Действие напорной силы «на себя» учитывают только при расчете экскаваторов большой мощности. При этом сила напора соответствует стопорному моменту на валу двигателя напора. Удерживающий момент создается силами тяжести всех частей экскаватора, находящихся слева от точки С. Опрокидывание одноковшового экскаватора в забое практически исключено, так как, отключив подъемный двигатель, можно сразу восстановить устойчивое положение машин.
Во втором случае — наиболее неблагоприятном при нормальной работе экскаватора — рассматривают груженый ковш на полном вылете; о силе на зубьях ковша судят по рабочему значению силы подъема с учетом угла наклона каната к рукояти. Силу напора, действующую «на себя», принимают равной половине рабочей силы напора. Подъемную и напорную силы рассчитывают при номинальных значениях скоростей подъема и напора.
Для экскаваторов большой мощности в расчет вводят полную напорную силу. Следует иметь в виду, что для восьмигусеничных экскаваторов плечи сил берутся относительно оси плунжеров гидравлических цилиндров нижней рамы.
Рекомендуемый запас устойчивости для двух рассмотренных случаев 1,1 > у > 1,05. Большее значение V)/ указывает на излишнюю массу экскаватора для данных значений силы подъема и радиуса действия.
При передвижениях, если говорить об устойчивости, опасны преодоление наибольшего подъема и спуск по наибольшему уклону. В том и другом случаях учитывают скоростной напор ветра (0,25 кПа), действующего в направлении, уменьшающем устойчивость экскаватора. Запас устойчивости у принимают > 1,2.
Для движения на подъем с углом атах (рис. 3.6.11, а) стрелу устанавливают (если это возможно) под минимальным рабочим углом к поверхности перемещения, рукоять должна иметь максимальный вылет с порожним ковшом у земли. При спуске под углом атах (рис. 3.6.11, б) стрела находится под максимальным углом к рабочей площадке, рукоять висит вертикально. Принимают, что линия опрокидывания проходит по краю опорной поверхности гусениц в точках А и В.
Следует иметь в виду, что из-за проседания гусениц, особенно при движении под уклон, действительный наклон пути может оказаться значительно больше расчетного. Поэтому предварительно определяют максимальное давление ртлх экскаватора на грунт, которое не должно превосходить допускаемого для данной почвы. В противном случае экскаватор должен передвигаться по настилу.
Драглайн. Устойчивость драглайна выявляют при следующих условиях (рис. 3.6.12): экскаватор стоит на площадке с наклоном 10...12°; стрела находится под максимальным рабочим углом Ymах = 25...30°, груженый ковш — на полном вылете. Опрокидывающий момент рассчитывают с учетом центробежных сил, появляющихся при вращении поворотной платформы с угловой скоростью сотах. Момент берется относительно линии, проходящей по краю опорной базы (точка А). Опрокидывающий момент определяют по формуле
При указанном выше коэффициенте устойчивости давление в точке А не должно превышать 0,25 МПа. Если фактический запас устойчивости получается большим, то это указывает на возможность увеличения длины стрелы или массы ковша при оснащении экскаватора более мощным рабочим оборудованием.
Роторный экскаватор. Устойчивость роторного экскаватора проверяют для наиболее неблагоприятного расположения действующих на него сил. Расчет ведут для случая, когда ротор опущен на землю (аварийный случай), а на конвейере консоли противовеса находится порода. Смещение равнодействующих сил, действующих на поворотную платформу, определяют при выдвинутой (противовес отодвинут назад) и втянутой стреле (противовес придвинут к оси экскаватора) с учетом давления нижнего конца стрелы ротора на консоль противовеса и момента от ветровой нагрузки, рассчитываемого для скоростного напора (рп = 0,25 МПа).
Опрокидывающий и удерживающий моменты выявляют по отношению к линии, проходящей через центры сферических опор гусеничного хода. Расчет ведут по наибольшему смещению равнодействующей. Массу отвальной консоли принимают с учетом силы тяжести породы, находящейся на ее конвейере. Удерживающий момент определяется силами тяжести нижней рамы и ходового устройства.
Цепной экскаватор. Его устойчивость проверяют также и для аварийного случая, когда ковшовая рама положена на уступ, а противовес смещен в крайнее заднее положение.
Определение сил в роликах и захватывающих устройствах опорно-поворотного круга
На поворотную платформу экскаватора во время работы действуют опрокидывающие и удерживающие моменты, которые можно привести к следующим силам (см. рис.3.6.10, б): G — вертикально действующей на передние части платформы и опорно-поворотного круга; S — отрывающей платформу от нижней рамы; Т — сдвигающей платформу относительно нижней рамы и действующей на расстоянии Ь от поворотной платформы.
Для предотвращения опрокидывания платформы и использования в качестве добавочного противовеса ходовых тележек экскаватора (в случае, когда величина опрокидывающего момента от внешней силы превышает величину удерживающих моментов от сил тяжести платформы и расположенных на ней конструкций) платформы снабжаются захватывающим устройством. Таким устройством служит либо гайка на верхнем конце центральной цапфы, либо подхватывающие ролики.
Опорное устройство со свободными роликами (рис. 3.6.13, а). В этой конструкции поворотная платформа опирается на подпятник из роликов (катков), равномерно распределенных по опорному кругу и заключенных в обойму, играющую роль сепаратора (число роликов n может быть > 100).
Определение сил при нахождении равнодействующей сил в пределах ядра сечения (рис. 3.6.13, б, в). При малых значениях эксцентриситета е сжимающим силам подвержены все ролики круга. Закон распределения этих сил по окружности определяется трапецией, наибольшая сторона которой равна силе, испытываемой крайним роликом, находящимся в плоскости действия сил со стороны приложения нагрузки.
