Разработка шасси экскаватора третьей размерной группы для работы на грунтах с низкой несущей способностью

Выпускаемые на Уральском вагоностроительном заводе экскаваторы требуют постоянной модернизации с точки зрения увеличения их производительности, качества и эффективного выполнения работ, расширения модельного ряда.
Из проведенного анализа, следует, что существует необходимость в специальной технике способной работать на грунтах с низкой несущей способностью.
...

Введение………………………………………………………………………...10
1 Аналитическая часть 12
1.1 Классификация одноковшовых экскаваторов 12
1.2 Устройство одноковшовых экскаваторов 17
1.3 Обзор строительной техники на специальных шасси для работы на грунтах с низкой несущей способностью 18
1.3.1 Экскаваторы болотоходы………………………………………………….18
1.3.2 Шагающие болотоходы……………………………………………………22
1.3.3 Плавающие экскаваторы…………………………………………………..25
1.4 Анализ болотистых грунтов с низкой несущей способностью 27
1.5 Анализ конструкций 29
2 Конструкторская часть 38
2.1 Расчет удельное давление гусениц экскаватора на грунт 40
2.2 Проверочный тяговый расчет экскаватора 40

Основной по популярности машиной‚ используемой на строительных площадках для производства земляных работ‚ перегрузки сыпучих и кусковых материалов и выполнения других работ‚ в зависимости от установленного дополнительного оборудования‚ вне всякого сомнения, является экскаватор. Эти машины многофункциональны и различного конструктивного исполнения. Применение экскаваторов экономически целесообразно и позволяет выполнять работы с высокой эффективностью.
Выпускаемые на Уральском вагоностроительном заводе экскаваторы требуют постоянной модернизации с точки зрения увеличения их производительности, качества и эффективного выполнения работ, расширения модельного ряда.
С этой точки зрения в дипломном проекте поставлена цель: для серийно выпускаемого колесного экскаватора ЭО-33211

1). Для обеспечения возможности экскаватором производства работ на грунтах с низкой несущей способностью основным условием является низкое удельное давление на грунт (порядка 0,025 МПа), которое может обеспечить только гусеничное шасси. Поэтому необходимо колесное шасси экскаватора заменить на гусеничное.Рисунок 2.1 – Экскаватор ЭО-33211За основу взято серийно производимое, Уральским вагоностроительным заводом, гусеничное шасси для экскаватора общего назначения ЭО-41211, которое представлено на рисунке 2.2, где 1 – направляющее колесо, 2 – гусеничная лента, 3 – рама хода, 4 – поддерживающий каток, 5 – опорный каток, 6 – ведущее колесо с мотор-редуктором. Ширина гусеничной ленты составляет 600 мм, передаточное число мотор-редуктора – 92,3. Для того, чтобы уменьшить удельное давление на грунт это шасси предлагается оборудовать его более широкими гусеницами (1200 мм) с гусеничного транспортера производства ОАО «Витязь», а так же установить пневмоколесные опорные катки, вместо штатных опорных и поддерживающихРисунок 2.2 – Гусеничное шассикатков. Поворотная платформа с рабочим оборудованием, установленная на предлагаемое шасси показана на рисунке 2.3, где 1 – поворотная платформа с рабочим оборудованием, 2 – гусеница, 3 – рама хода, 4 – пневмоколесный опорный каток, 5 – ведущее колесо с мотор-редуктором.Рисунок 2.3 – Экскаватор на болотоходном шассиЗадачей данных ниже расчетов является определении основных параметров разрабатываемого шасси: удельного давления гусениц на грунт, проверка ходовых характеристик экскаватора.2.1 Расчет удельное давление гусениц экскаватора на грунтУдельное давление гусениц экскаватора на грунт:, (1) где - вес экскаватора с рабочим оборудованием, =200000 Н; - число гусениц, =2; - длина опорной поверхности, =3,8 м; - ширина гусеницы, =1,2 м..Полученный результат удельного давления – 0,022 МПа позволяет говорить о том, что экскаватор на разработанном шасси может использоваться на болотах I и II типа.2.2 Проверочный тяговый расчет экскаватораРасчёт производится по [4].Исходные данные, необходимые для тягового расчета, представлены в таблице 3.Таблица 3 – Исходные данные ПараметрРазмерностьЗначениеВес экскаватора, GЭН200000Средняя продольная база экскаватора, Lм3,8Диаметр опорного катка, D1м0,83Диаметр ведущего колеса, D2м0,62Количество опорных катков, n10Скорость передвижения экскаватора, Vм/с1,11Время разгона экскаватора, tрс4Ширина гусеничного экскаватора, bм1,2Колея, Bм2,6Движение по горизонтальной поверхностиНеобходимое тяговое усилие определяется по формуле уравнения движения гусеничной машины:=+++, (2) где - тяговое усилие на одной гусенице; внутреннее сопротивление ходовых механизмов; - сопротивление инерции при трогании с места; - сопротивление катанию; - сопротивление ветру.2.2.1 Внутреннее сопротивление ходовых механизмов= (3) где - сопротивление в подшипниках опорных катков; - сопротивление в подшипниках ведущих колес; - сопротивление в подшипниках направляющих колес; - сопротивление катанию опорных катков; - сопротивление изгибанию гусеничной ленты на ведущих колесах; - сопротивление изгибанию гусеничной ленты на направляющих колесах; - сопротивление движению верхней части ленты по опорных каткам; - коэффициент, учитывающий добавочное сопротивление от внешних сил, =1,2.Величины находятся в функциональной зависимости от необходимого тягового усилия, следовательно: (4)Уравнение движения после подстановки в него значений и последующих преобразований примет вид:, (5)где l, m, n- коэффициенты функциональной зависимости величин от .2.2.2 Сопротивление в подшипниках опорных катков (6)где - вес гусеничной машины с рабочим оборудованием, = 200000 Н; - вес гусеничной ленты, лежащей на земле; - коэффициент трения в подшипниках скольжения (бронзовые втулки), =0,15; - диаметр оси опорного катка, =0,11 м; - диаметр опорного катка, =0,83 м. (7)где - вес одного метра гусеничной ленты, =1500 Н; Lср- средняя продольная база экскаватора, Lср = 3,8м;=;2.2.3 Сопротивление в подшипниках ведущих колес , (8)где - приведенный коэффициент трения в подшипнике качения; - диаметр ведущего колеса, =0,62 м; - диаметр оси ведущего колеса, =0,11 м; - количество опорных катков, =.=, (9)где K- коэффициент трения качения, К= м; м; D- наружный диаметр внутреннего кольца подшипника, D=0,132 м; - диаметр ролика подшипника, =0,023 м;;.2.2.4 Сопротивление в подшипниках направляющих колес при переднем ходе , (10)где - диаметр цапфы оси натяжного колеса, =0,11 м; - диаметр натяжного колеса, =0,55 м. Для подшипника: м; м; м; ; .при переднем ходе:;=0,00019. при заднем ходе:;;=0,00127.2.2.5 Сопротивление катанию опорных катков, (11)где - коэффициент трения качения опорных катков по гусеничным звеньям, = м;.2.2.6 Сопротивление изгибанию гусеничной ленты на ведущих колесах при переднем ходе:, (12)где - коэффициент трения, =0,15; - высота гусеничной ленты, =0,087 м;при заднем ходе:2.2.7 Сопротивление изгибанию гусеничной ленты на направляющих колесахпри переднем ходе:, (13) n=0,014;при заднем ходе:;n'=0,095.2.2.8 Сопротивление движению верхней части гусеничной цепи по каткам, (14)где - вес верхней части гусеничной цепи; - диаметр оси поддерживающего катка, =0,11 м; - коэффициент трения гусеницы по поддерживающим каткам, = м; - диаметр катка, =0,83 м. Для подшипника:D=0,132 м; м; м; м;. ,где - расстояние между ведущим или направляющим колесом и опорным катком, =1,44 м.;.2.2.9 Сопротивление инерции при трогании с места, (15)где V- скорость передвижения гусеничной машины, V=4 км/ч = 1,11 м/с; - время разгона гусеничной машины, =4 c..2.2.10 Сопротивление катанию экскаватора , (16)где n- число гусениц, n=2; b- ширина гусеничной ленты, b=1,2 м; p- среднее давление на грунт; - постоянный для данной почвы коэффициент удельного сопротивления почвы смятию,h- глубина погружения гусеницы.; ; (17); ; (18);.2.2.11 Сопротивление ветру , (19)где - предельно допустимое давление ветра по ГОСТ 1451-77, =125 Па; - наветренная площадь гусеничной машины, F=8,01 м2.Необходимое тяговое усилие при движении по горизонтальной поверхности при трогании с места передним ходом:;при трогании с места задним ходом:.Необходимое тяговое усилие при движении по горизонтальной поверхности при установившемся движении передним ходом:;при установившемся движении задним ходом:. 2.2.12 Движение на подъем Сопротивление движению при подъеме: на уклоне :; (20) на уклоне :. Необходимое тяговое усилие при движении на уклон задним ходом при трогании с места:; (21).Необходимое тяговое усилие при движении на уклон задним ходом при трогании с места: ;.2.2.13 Движение при повороте Сопротивление повороту:, (22)где - момент сопротивления повороту; - радиус поворота, =2,6 м; b- ширина гусеницы, b=1,2 м; Lср- колёсная база, Lср=3,8 м; d=1,4 м; B=2,6 м., (23)где - коэффициент сопротивления повороту., (24)где ; - постоянные коэффициенты.... Необходимое тяговое усилие при повороте передним ходом:; (25);при повороте задним ходом:; (26) ;2.2.14 Тяговое усилие по двигателюВыбираем гидромотор 313.3.112.501:частота вращения вала nгм=4000 об/мин;номинальный крутящий момент 397 Н*м;номинальная мощность 167 КВт., (27)где - максимальный крутящий момент на гидромоторе хода, =397 ; - ориентировочное передаточное число редуктора хода, =115; - ориентировочный к.п.д. редуктора хода, =0,85.., следовательно, разворот вокруг застопоренной гусеницы осуществим.2.2.15 Тяговое усилие по сцеплению с грунтом, (28)где - коэффициент сцепления гусеницы с грунтом, =0,97..2.2.16 Уточнение передаточного отношения, (29)где n-частота вращения ведущего колеса, об/мин;V=, м/с, (30)где Rв.к.- радиус ведущего колеса; откуда n=;;.По результатам тягового расчета передаточное число мотор-редуктора не обходимое для обеспечения тяговых характеристик экскаватора на новом шасси должно равняться 118, т.к. на серийно производимом шасси установлен мотор-редуктор с i=92,3, принято решение изменить передаточное число серийного редуктора. Кинематический и геометрический расчет зубчатых колес представлен ниже.2.3 Синтез кинематической схемы редуктора ходаПо результатам тягового расчета необходимое передаточное число редуктора хода Предварительно выбираем передаточное число, , (31)где - передаточное число быстроходной ступени редуктора; - передаточное число промежуточной ступени редуктора; - передаточное число тихоходной ступени редуктора..=5,2=5,2=4,42.3.1 Кинематический расчет быстроходной ступени2.3.1.1 Расчет чисел зубьевНаружный диаметр эпицикла ограничен корпусом редуктора, следовательно, диаметр окружности впадин зубьев эпицикла быстроходной ступени равен:,С другой стороны, , (32)Где mБ – модуль быстроходной ступени, mБ = 3 мм; zbБ – число зубьев эпицикла быстроходной ступени.Следовательно, , (33);Примем .Передаточное отношение быстроходной ступени: , (34)откуда ,где zаБ – число зубьев солнечной шестерни быстроходной ступениПримемЧисло зубьев сателлита:, (35).2.3.1.2 Расчет диаметров зубчатых колесСолнечная шестерня:Делительный диаметр , (36);Диаметр окружности впадин , (37);Диаметр окружности вершин , (38).Сателлит:Делительный диаметр ,;Диаметр окружности впадин ,;Диаметр окружности вершин ,.Эпицикл:Делительный диаметр ,;Диаметр окружности впадин ,;Диаметр окружности вершин ,.Передаточное отношение быстроходной ступени:, (39).2.3.2 Кинематический расчет промежуточной ступениТак как предварительно выбранные передаточные числа быстроходной и промежуточной ступеней одинаковы, то для упрощения конструкции и унификации по планетарным рядам в промежуточной ступени принимаем те же зубчатые колеса, что и в быстроходной ступени.2.3.3 Кинематический расчет тихоходной ступени2.3.3.1 Расчет чисел зубьевНаружный диаметр эпицикла ограничен корпусом редуктора, следовательно, диаметр окружности впадин зубьев эпицикла тихоходной ступени равен:,С другой стороны, ,где mТ – модуль тихоходной ступени, mТ = 5 мм; zbТ – число зубьев эпицикла тихоходной ступени.Следовательно,,;Примем .Передаточное отношение тихоходной ступени:,Откуда ,где zаТ – число зубьев солнечной шестерни тихоходной ступени ;Примем Число зубьев сателлита:,.2.3.3.2 Расчет диаметров зубчатых колесСолнечная шестерня:Делительный диаметр ,;Диаметр окружности впадин ,;Диаметр окружности вершин ,.Сателлит:Делительный диаметр ,;Диаметр окружности впадин ,;Диаметр окружности вершин ,.Эпицикл:Делительный диаметр ,;Диаметр окружности впадин ,;Диаметр окружности вершин ,.Передаточное отношение тихоходной ступени: ,.Фактическое передаточное отношение ,.Так как не всегда возможно подобрать передаточное число соответствующее передаточному числу полученному в тяговом расчете, то в тихоходной гусеничной технике допускается отличие проектного передаточного числа от расчетного не более чем на 5%. По этому можно сказать что синтезированная схема с i=114,5 нас устраивает.3 Технология производства работБольшое разнообразие земляных работ в промышленном, жилищном, дорожном и гидротехническом строительстве по своему характеру и объему обуславливает различие в выполнении отдельных технологических процессов или технологии в целом.Технологический процесс устройства выемки включает разработку грунта с погрузкой в транспортные средства или на бровку выемки, транспортировку грунта, планировку дна и откосов.Выбор способа разработки грунта и схемы комплексной механизации зависит от объемов и сроков выполнения работ, вида грунта, геометрических параметров земляного сооружения и условий производства работ.При комплексно-механизированной разработке грунта кроме ведущей землеройной машины в комплект включаются также вспомогательные машины для транспортировки грунта, планировки и т.д.В качестве ведущей машины при разработке постоянных выемок значительной глубины, котлованов и траншей больших размеров принимают одноковшовый экскаватор. Для транспортировки грунта используют чаще всего автосамосвалы, а также железнодорожный транспорт, конвейерный и гидравлический. Количество транспортных средств и схема их подачи к экскаватору назначаются из условия обеспечения бесперебойной работы экскаватора.Для зачистки дна выемки, разравнивания грунта и обратной засыпки пазух используются, как правило, бульдозеры.Технологические возможности экскаватора зависят от вида рабочего оборудования, системы его привода и главного параметра-емкости ковша. Рекомендации по выбору емкости ковша и других параметров экскаватора в зависимости от объема выемки приводятся в нормативной и справочной литературе по земляным работам.Для выемок значительных объемов применяют экскаваторы с большой емкостью ковша. При разработке обводненных грунтов предпочтительнее применять экскаваторы с рабочим оборудованием обратная лопата, драглайн. Разработку грунта в глубоких траншеях с креплением вертикальных стенок, а также в опускных колодцах целесообразно производить грейферным ковшом.Экскаваторы с гидравлической системой привода рабочего оборудования позволяют обеспечить высокую точность геометрических параметров выемки и большие возможности автоматизации процесса работы машины.Пространство, в котором размещается экскаватор и происходит разработка грунта, называют экскаваторным забоем. Профиль экскаваторных забоев и их геометрические параметры для основных видов рабочего оборудования экскаватора представлены на рисунке 3.1, где: а – прямая лопата с канатным управлением рабочим оборудованием; б – обратная лопата с канатным управлением рабочим оборудованием; в – драглайн с канатным управлением рабочим оборудованием; г – грейфер с канатным управлением рабочим оборудованием; д - прямая лопата с гидравлической системой управления; е – то же, обратная лопата; ж – грейфер; RК - радиус копания; RВ - радиус выгрузки; +Н – высота копания; Н – глубина копания; НВ – высота выгрузки.При проектировании производства работ размеры забоя назначают из условий обеспечения максимальной производительности экскаватора за счет сокращения времени рабочего цикла. Для этого высота (глубина) забоя должна обеспечивать заполнение ковша с «шапкой» за одну операцию резания грунта, угол поворота для разгрузки ковша должен быть минимальным и т.д.Выемка, образующаяся в результате последовательной разработки грунта при периодическом передвижении экскаватора в забое, называется экскаваторной проходкой.В зависимости от расположения экскаватора относительно забоя и его перемещения в процессе разработки грунта проходка может быть лобовой (торцовой) или боковой. На рисунке 3.2 показана разработка забоя экскаватором,Рисунок 3.1 – Профили забоя экскаваторов с различным рабочим оборудованиемоборудованным прямой лопатой, где: а – лобовая проходка с погрузкой грунта на обе стороны забоя; б – то же, с двусторонней погрузкой грунта в автотранспорт, перемещающийся по верху забоя; в – широкая лобовая проходка с погрузкой грунта в автотранспорт, перемещающийся по подошве забоя; г – боковая проходка с погрузкой грунта в автотранспорт.Рисунок 3.2 – Разработка забоя экскаватором, оборудованным прямой лопатойТраншеи разрабатываются, как правило, за одну лобовую проходку. Разработка котлованов выполняется одной или несколькими параллельными проходками. При значительной глубине выемки она разрабатывается ярусами, постепенно углубляясь до образования проектного контура котлована.В зависимости от геометрических параметров выемки и характеристики рабочего оборудования экскаватора назначают вид, размеры и количество проходок.Одноковшовые экскаваторы с рабочим оборудованием "прямая лопата" целесообразно применять для разработки выемок значительных размеров при отсутствии грунтовых вод или незначительном их притоке.При разработке грунта с погрузкой в транспорт прямая лопата - наиболее производительный вид рабочего оборудования. Экскаватор с таким оборудованием размещается на подошве забоя и разрабатывает грунт выше уровня стоянки. Разработка грунта, как правило, осуществляется с погрузкой в транспортные средства, которые могут располагаться на одном уровне с экскаватором или выше подошвы забоя.В зависимости от ширины котлована лобовая проходка экскаватора может быть прямолинейной, зигзагообразной и поперечно-торцовой. Боковая проходка применяется при разработке широких забоев.Для въезда в забой устраивают траншею с уклоном 10-15° и шириной до 3,5 м при одностороннем движении и до 8 м при двустороннем.Экскаваторы с рабочим оборудованием обратная лопата и драглайн разрабатывают забои (котлованы, траншеи и др.) любой ширины и глубиной, не превышающей максимальной глубины резания. На рисунке 3.3 показана разработка забоя экскаватором, оборудованным обратной лопатой, лобовой проходкой, где: а – погрузка грунта в автотранспорт; б – в отвал.Поярусная разработка выемки при этом виде оборудования, как правило, не практикуется. Экскаватор размещается выше забоя, что облегчает разработку мокрых и обводненных грунтов.Рисунок 3.3 – Разработка забоя экскаватором, оборудованным обратной лопатойЭкскавация грунта может осуществляться в направлении, совпадающем с перемещением экскаватора, - торцовой проходкой и перпендикулярно направлению перемещения – боковой. В последнем случае глубина разработки меньше, чем при торцовой.4 Технологическая частьЭффективность производства, его технический процесс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков и аппаратов, от всемерного внедрения методов технико-экономического анализа.При проектировании технологического процесса изготовления деталей наиболее сложным оказывается вопрос предвидения и моделирования размерных и точностных связей, возникающих в ходе процесса на различных последовательных операциях.