Исследование нагруженности стрелы обратной лопаты гидравлического экскаватора

В статье приведены данные по практическому проектированию составляющих частей сложной строительной техники

Стрела служит базовым элементом рабочего оборудования одноковшового экскаватора. В соответствии с традиционной кинематической схемой рабочего оборудования обратная лопата гидравлического экскаватора(рис.1,а) гидроцилиндры выдвижения стрелы расположены снизу относительно стрелы, а гидроцилиндр выдвижения рукояти сверху.

Шарниры крепления к стреле гидроцилиндров стрелы (шарнир А) и гидроцилиндра рукояти к рукояти (шарнир В) расположены на значительном расстоянии друг от друга (примерно 1000…2000 мм). Шарниры крепления к рукояти гидроцилиндра рукояти (шарнир С) и гидроцилиндра ковша (шарнир Д) расположены на расстоянии 600…800 мм. Расстояние между шарнирами крепления стрелы к рукояти (шарнир Е) и гидроцилиндра рукояти к рукояти составляет примерно 800 мм. Эти расстояния между шарнирами относятся к экскаваторам 4-ой, 5-ой групп.

Рис.1. Схемы рабочего оборудования обратной лопаты:а - традиционная; б - с нижним расположением гидроцилиндров стрелы и рукояти;в - с верхним расположением гидроцилиндров стрелы и рукояти; 1-1…3-3 - сечения, в которых определялись изгибающие моменты

Шарнир А обычно расположен на оси стрелы, а шарнир В вынесен за металлоконструкцию стрелы вверх и крепится к специальному сварному или литому кронштейну, приваренному к металлоконструкции стрелы. Шарнир С закреплен обычно в металлоконструкции рукояти, как и шарнир Е. Шарнир Д бывает закреплен внутри рукояти или вынесены за металлоконструкцию рукояти и прикреплен к специальному кронштейну, приваренному к металлоконструкции рукояти.

Во ВНИИстройдормаше [1] в процессе работы по снижению металлоемкости рабочего оборудования и необходимому для этого снижения усилий в его элементах были разработаны и исследованы новые схемы кинематики рабочего оборудования обратной лопаты гидравлического экскаватора (рис. 1, б, в).

Сравнение нагруженности рабочего оборудования обратной лопаты для различных вариантов кинематических схем производилось по максимальным значениям изгибающих моментов в аналогичных сечениях конструкции стрелы и рукояти.

Сравнительные исследования рабочего оборудования экскаваторов 4-ой и 5-ой размерных групп выявили, что в схемах, где шарниры А и Б совмещены, изгибающие моменты в сечениях стрелы на режимах копания поворотом ковша и рукояти при реализации максимального давления в гидросистеме (при стопорении ковша) снижаются по сравнению с традиционной схемой рабочего оборудования, так как силовой поток предается через гидроцилиндры, тем самым частично разгружается металлоконструкция стрелы.

В схеме рабочего оборудования (рис. 1,б) максимальный изгибающий момент в отмеченных сечениях стрелы снижается в 1,6…2,3 раза, а в схеме (рис .1,в) – в 2,5…3,8 раза.

По схеме (рис. 1,в ) точка крепления пяты стрелы к поворотной платформе перенесена вниз, в точку где раньше крепился гидроцилиндр стрелы. Точка крепления гидроцилиндра перенесена вверх, где раньше крепилась пята стрелы.

В сечениях металлоконструкции рукояти при схеме (рис. 1,в) максимальные изгибающие моменты остаются на том же уровне, что при традиционной схеме рабочего оборудования (рис. 1,а).

Использование схем рабочего оборудования обратной лопаты с совмещенными шарнирами гидроцилиндров стрелы и рукояти на стреле и гидроцилиндров ковша и рукояти на рукояти дает возможность снизить массу металлоконструкции рабочего оборудования на 15…20%.

Схема рабочего оборудования с верхним расположением совмещенных шарниров А и В (рис. 1,в) была использована при модернизации рабочего оборудования обратная лопата экскаватора ЭО-5225 с ковшом вместимостью 1,8 м³.

Модернизированная стрела с расчетными сечениями представлена на рис. 2. Остов стрелы представляет собой листовую сварную конструкцию коробчатого сечения из стали 09Г2С с пределом текучести σ_Т = 325 МПа. Расчеты на прочность проведены по нормативным документам СКТБ «Земмаш» ОАО «ВЭКС» г. Воронеж.

Рис. 2. Расчетная схема стрелы

Сравнение нагруженности остова стрелы в расчетных сечениях произведены по величине приведенных напряжений с учетом действия нормальных и касательных напряжений от изгибающих и крутящего моментов, а так же нормальной силы на режиме копания поворотом рукояти в момент стопарения ковша при усилии на его зубе Р₀₁ = 158,48 кH. Расчетные сечения проверялись на условие прочности по пределу текучести n_Т = σ_Т / σ_ПР ≤ [n_Т] = 1,5.

Результаты выполняемых расчетов сведены в таблицу.

Таблица

Вариант остова стрелы	Параметры	Сечение
		А-А	Б-Б	В-В	Г-Г
Базовый	σПР, МПа	141,9	188	88,5	107,8
	nT	2,29	1,73	3,67	3,01
По новой схеме	σПР , МПа	67,6	142,5	100,9	153,2
	nT	4,8	2,28	3,2	2,12
По новой схеме и облегченная	σПР ,МПа	‑	‑	‑	197,5
	nT	‑	‑	‑	1,65

Анализ данных таблицы позволяет сделать следующие выводы:

1. Наиболее нагруженным сечением базовой стрелы является сечение Б-Б (σ_ПР = 188 МПа и n_T = 1,73 при [n_T]=1,5 ), на котором консольно «висит» рукоять с ковшом.

2. У новой стрелы в сечении Б-Б σ_ПР = 142,5 МПа, что на 25% ниже чем у базовой,аn_T = 2,28.Однако в сечении Г-Г σ_ПР = 153,2 МПа при n_T = 2,12. Таким образом, в наиболее нагруженном участке новой стрелы между сечениями Г-Г и Б-Б приведенные напряжения выравнялись и запас прочности по пределу текучести составил n_T = 2…3. Это позволяет рассмотреть облегченный вариант стрелы, который при уменьшении толщины боковых листов c 16 до 12 мм, а верхнего и нижнего с 20 до 16 мм уменьшить ее массу c 2988 до 2390 кг, то есть на 598кг, что составляет 20%. При этом наиболее нагруженным сечением становится Г-Г σ_ПР = 197,5 МПа при n_T = 1,65, что соответствует наиболее нагруженному сечению Б-Б в базовой стреле (σ_ПР = 188МПа при n_T = 1,73).

Новая конструкция стрелы при сохранении максимальной нагруженности с базовой имеет массу на 20 % меньше в результате передачи в совмещенном шарнире А, Б (рис.1, в) силового потока не через металлоконструкцию, а через гидроцилиндры.

Литература

1. Елизарова В.Б. Сравнительные исследования нагруженности рабочего оборудования гидравлических экскаваторов // Научн. тр. ВНИИстроймаш, вып. 97. М. 1983. С. 17-21.

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

УДК 539.38

Ю.Б. Рукин, Р.А. Жилин, Е.Ю. Чернышова