7.1 Последовательность выполнения задания

Все основные расчетные зависимости и эмпирические формулы базируются на рабочей массе и емкости ковша экскаватора. Ориентировочно массу экскаватора можно установить, воспользовавшись законом подобия.

т, (7.1)

где m, m_п – массы проектируемого экскаватора и прототипа (табл. 7.1), т;

V, V_п – вместимости ковша проектируемого экскаватора и прототипа (табл. 7.1), м³.

Размерные группы одноковшовых экскаваторов. Таблица 7.1

№ группы	Масса, т	Описание	Вместимость ковша, м3	Мощность двигателя, кВт
1	3,0÷3,5 5,5÷6,5	Механический привод, навесное раб. оборуд. Гидравлический привод, навесное раб. оборуд. Механический привод, полноповоротный Гидравлический привод, полноповоротный	0,15÷0,40	15÷25
2	5,5÷6,5 8,5÷9,5	Механический привод, не полноповоротный Гидравлический привод, не полноповоротный Механический привод, полноповоротный Гидравлический привод, полноповоротный	0,25÷0,65	25÷40
3	12÷17	Механический привод, полноповоротный Гидравлический привод, полноповоротный	0,40÷1,00	40÷60
4	19÷30	Механический привод, полноповоротный Гидравлический привод, полноповоротный	0,65÷1,60	60÷100
5	36÷40	Механический привод, полноповоротный Гидравлический привод, полноповоротный	1,00÷2,50	100÷150
6	50÷70	Механический привод, полноповоротный Гидравлический привод, полноповоротный	1,60÷4,00	160÷260
7	88÷95	Механический привод, полноповоротный Гидравлический привод, полноповоротный	2,50÷6,30	180÷405

Для промежуточных масс и других параметров коэффициенты пропорциональности здесь и далее следует определять интерполированием.

1. Геометрические размеры ковша (рис. 7.1) определяют по следующим зависимостям:

– ширина ковша

м. (7.2)

– радиус поворота кромки ковша

м. (7.3)

– радиус поворота кромки зуба ковша

м. (7.3)

– длина днища ковша

м. (7.4)

– радиусы закругления задней стенки

м, м. (7.5)

Ширина режущей кромки зуба b_з = 70÷140 мм (рис. 7.2).

Таблица 7.2

Типы ковшей	Ширина режущей кромки зуба bз (мм) для размерных групп экскаваторов
	2	3	4	5	6	7
01 и 02	70	80	110	125	135	140
03	65	75	95	110	120	130

Абсциссу кромки задней стенки назначают из пределов х = 27÷115 мм при V = 0,05÷6,3 м³, а расстояние между проушинами (длину ведомого звена механизма поворота ковша) l_вз = 160÷610 мм при V = 0,05÷1 м³ и l_вз = 700÷820 мм при V = 1,6...6,3 м³.

Для строительных экскаваторов малой мощности (V = 0,1÷1,75 м³) масса ковша:

т. (7.6)

Рис. 7.1 Схема размеров основного ковша экскаватора

Число устанавливаемых на ковше зубьев n назначают из условия, чтобы отношение расстояния между двумя смежными зубьями а к ширине зуба b_з не выходило за пределы

. (7.7)

По результатам расчетов вычерчивают конструктивную схему ковша, принимая, кроме того, как ориентировочные, следующие значения углов, показанных на рис. 7.1: δ = 50...52^о; δ' = 27...30^о; ₁ = 75...80^о; ₂ = 55...60^о; є = 3...40^о.

2. Размеры базовой части гидравлических одноковшовых экскаваторов приведены на рис. 7.2.

Основные размеры экскаваторных движителей назначают из условия обеспечения их передвижения в заданных режимах, а также устойчивого равновесия при экскавации грунта. Для гусеничных экскаваторов (рис. 7.2 а) основные габаритные и рабочие параметры (рабочие размеры обратной лопаты R_к, Н_в, R_в, Н_к, l_с, l_р, табл. 7.3) определяют по зависимости:

м, (7.8)

где m – масса экскаватора, т;

k_i – коэффициент пропорциональности (табл. 7.3).

а

б

Рис. 7.2 Схема основных размеров базовой части одноковшовых гидравлических экскаваторов: а – гусеничных; б – пневмоколесных

Значения параметров и коэффициентов пропорциональности гидравлических экскаваторов с обратной лопатой. Таблица 7.3

Наименование параметров	Параметры по группам мощности
	малой				средней	большой
1	2	3	4	5	6	7
Масса экскаватора, т	2-5	6-15	20-40	45-50	60-90	110-200
Вместимость ковша обратной лопаты, м3	0,02-0,2	0,3-0,6	0,4-1,8	0,8-2,5	1,2-3,5	2,5-12
Мощность привода, кВт	10-30	35-65	80-170	190-220	260-380	500-800
Скорость хода, км/ч	0-5	0-4	0-3	0-3	0-2,5	0-1,8
Давление на грунт, МПа	0,02	0,025	0,05; 0,09	0,08; 0,15	0,12; 0,17	0,18; 0,27
Преодолеваемый подъем, град.	35	32	30	28	24	20-17
Скорость вращения платформы, об/мин	11	10	9	8	7	5
Продолжительность цикла, с	12-15	12-15	16-22	23-25	25-26	26-27
Рабочие размеры обратной лопаты, м:	Значение ki
Радиус копания, Rк	3,9-4,0	3,1-3,5	3,0-3,3	2,9-3,0	3,0-3,1	2,7-3,3
Высота выгрузки, Нв	1,85-1,9	2,2-2,5	1,9-2,3	1,8-2,0	2,0-2,2	2,0-2,2
Радиус выгрузки, Rв	3,4-3,5	3,5-3,6	2,7-3,0	2,3-2,4	2,8-2,9	1,8-2,4
Глубина копания, Нк	2,1-2,2	2,08-2,2	1,8-2,1	1,7-1,85	1,9-2,0	1,65-2,3
Длина стрелы, lс	2,47-2,5	1,6-1,8	1,9-2,0	1,9-1,95	1,9-1,95	1,47-1,87
Длина рукояти, lр	1,33-1,35	0,7-1,22	0,9-1,0	1,0-1,1	1,0-1,1	0,77-0,97

Колею К назначают по аналогии с существующими экскаваторами для чего получена корреляционная зависимость

м. (7.9)

База l_г и ширина b_г гусеницы должны быть достаточными для того, чтобы среднее давление гусениц на грунт не превышало допускаемого для расчетного грунта значения, назначаемого из пределов [р_ср] = 25÷110 кПа:

, (7.10)

где g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²).

Ориентировочно для гусениц с основными башмаками (для работы на грунтах средней и повышенной несущей способности – гусеницы с минимальной опорной поверхностью) можно принять:

м. (7.11)

В случае гусениц с увеличенной опорной поверхностью этот размер следует увеличить на 30÷50%. При необходимости может быть также откорректирована колея К. Окончательно размер b_г следует округлить до значения, кратного 50 мм.

Базу l_г определяют из формулы (7.10) как:

м. (7.12)

На стадии предварительных расчетов решение можно считать удовлетворительным, если выполняется условие

. (7.13)

Размеры гусениц назначают соответственно модульным группам (табл. 7.4). При этом габаритную высоту Н_г и высоту Н_о оси ведущей звездочки принимают как предварительные. Их уточняют расчетом. Размеру Н_о соответствует диаметр ведущей звездочки, измеренный пo осям шарниров гусеничной цепи (рис. 7.3).

Рис. 7.3 Схема размеров в узле ведущей звездочки

м, (7.14)

где h_гц, h^/_гц – размеры цепи гусеницы, м (табл. 7.4).

Диаметр ведущей звездочки D_зв связан с шагом цепи t_ц и числом зубьев z соотношением:

. (7.15)

Откуда

. (7.16)

Округляя z до целого числа, уточняют диаметр звездочки:

м. (7.17)

Габаритная высота гусениц

м. (7.18)

Габаритная длина гусеницы

м. (7.19)

Габаритная ширина гусеничного хода

м. (7.20)

Клиренс под поворотной платформой

м. (7.21)

Коэффициенты пропорциональности здесь соответствуют массам экскаваторов m = 6÷100 т.

Гусеничные тележки тракторного типа. Таблица 7.4

Наименование параметров	Модульные группы гусеничных тележек
	1	2	3	4	5	6	7	8
Высота гусеницы – Нг, мм	630	740	790	840	930	1000	1280	1360
Высота оси ведущей звездочки – Но, мм	300	360	390	420	460	480	640	680
Гусиничная цепь:
шаг – tц, мм	140	155,6	155,6	171,05	171,05	202,8	215,9	228,6
высота цепи с башмаками – hгц, мм	94	107	107	132,5	140,5	159,5	170	199,5
расстояние от внутренней поверхности до осей шарниров – h/гц, мм	38	42	42	53,5	59	65	65	75
высота грунтозацепов – hгз, мм	15,5	18	18	25,3	25,3	26,5	26,5	30
ширина цепи (без башмаков), мм	138	158	158	177	206	250	250	290
Рекомендуется для экскаваторов массой, т	до 8	8-11	11-14	14-19	19-26	26-35	35-49	49-77

Колею К пневмоколесных экскаваторов (рис. 7.2, б) определяют по эмпирической зависимости:

м. (7.22)

Интервал значений коэффициента пропорциональности соответствует массам экскаватора m = 14÷25 т.

Базу Б (расстояние между осями передних и задних колес) определяют по эмпирической зависимости:

м. (7.23)

Коэффициенты пропорциональности здесь соответствуют прежнему интервалу масс экскаватора.

Пневмоколесное шасси ориентируют относительно поворотной части экскаватора так, чтобы расстояние от оси вращения последней до оси задних колес составляло

r_зк = (0,34÷0,37)Б м. (7.24)

На шасси пневмоколесных экскаваторов устанавливают по два одинарных или спаренных колеса на каждую ось. В зависимости от дорожных условий (передвижение по дорогам с твердым покрытием и улучшенным или по грунтовым неукатанным дорогам) для колес используют шины обычного или широкого профиля. Тип шин назначают в зависимости от нагрузки на колесо, считая все колеса экскаватора равнонагруженными. В случае спаренных колес максимальную нормативную нагрузку на шину следует снижать на 10%.

Чтобы определить диаметр колес и размер пневматических шин, устанавливают возможную максимальную нагрузку, приходящуюся на колесо, когда выносные опоры не принимают участия в работе. Эту нагрузку находят при расположении стрелы вдоль оси машины и для случая, когда стрела направлена на одно колесо. Размер пневматических шин выбирают (табл. 7.5), считая нагрузку больше статической в 1,5...2 раза. Выбранную шину проверяют на прогиб

м. (7.25)

Нагрузка на баллон

Н, (7.26)

где р – давление в камере, Па;

D_к, b_ш – наружный диаметр и ширина шины, м.

Допустимый прогиб шин должен быть у ≤ (0,03...0,04)D.

Габаритную ширину колесного хода с одинарными В_х1 и сдвоенными В_х2 колесами определяют соответственно как

м и м, (7.27)

где b_ш – ширина шины, м (табл. 7.5).

Расстояние от оси задних колес до середины выносных опор

м, (7.28)

где D_к – диаметр пневмоколеса, м (табл. 7.5).

Расстояние между центрами опорных поверхностей выносных опор в поперечном направлении

м. (7.29)

Башмаки выносных опор выполняют квадратными (0,4×0,4)÷(0,5×0,5) м.

Расстояние от оси передних колес до середины опорной поверхности бульдозерного отвала

м. (7.30)

Длину бульдозерного отвала принимают

м. (7.31)

Ширину опорной поверхности отвала принимают

м. (7.32)

Клиренс под поворотной платформой

м. (7.33)

Шины пневматические для строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин. Таблица 7.5

Обозначение шины	Норма слойности	Рисунок протектора	Диаметр наружный, мм	Ширина профиля, мм	Статический радиус, мм	Масса, кг	Максимальная нагрузка, кН	Давление, кПа, ± 25	Vмакс, км/ч
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
8,25-15	14	Дорожный	836±12	234±7 215±7	396±6	44	21,3	800	50
8,25-20	14	То же	992±15	234±7 248±7	464±8	52	23,0	670	50
12,00-20	20	-//-	1120±17	315±10	520±9	90	45,0	750	65
14,00-20	16 18 20	Повышен. проходим.	1220±18	375±12 360±12	555±9	105 113 120	38,8 42,6 43,9	420 500 530	50
14,00-20	22	Дорожный	1238±18	375±12	567±9	115	55,0	750	65
16,00-24	12 24	Повышен. проходим.	1493±23	435±14	680±12	152 197	41,1 61,5	250 500	50
18,00-24	24	То же	1600±25	498±15	725±13	270	72,4	420	50
20,50-25	16	-//-	1492±22	520±16	677±11	240	51,1	270	50
21,00-28	24	-//-	1790±27	570±20	810±14	355	88,5(92,5)	350(360)	50(45)

Типоразмер опорно-поворотного круга (устройства) экскаватора определяют расчетом в зависимости от воспринимаемых им внешних нагрузок. На стадии предварительных расчетов диаметр ОПУ определяют по эмпирической зависимости.

м. (7.34)

Найденный диаметр округляют до ближайшего стандартного из ряда:

Расчетное значение D_опу: 0,9÷1,1; 1,1÷1,2; 1,2÷1,3; 1,3÷1,5; 1,5÷1,7; 1,7÷1,9; 1,9÷2,1; 2,1÷2,4 м.

Стандартное значение D_опу: 1000; 1160; 1250; 1400; І600; 1900; 2000; 2240 мм.

Ширину поворотной платформы назначают равной габаритной ширине колесного или гусеничного хода, а при увеличенной опорной поверхности – на 20% меньше этого размера.

В продольном направлении размеры поворотной платформы определяются измеренными от оси ее вращения радиусами передней r_п и хвостовой r_хв частей.

м, м. (7.35)

Высоту балки поворотной платформы назначают из пределов

h_пп = (0,17÷0,4) м, (7.36)

соответствующих указанным выше предельным массам экскаваторов. Под кабиной этот размер уменьшают в два раза.

Высоту капота силовой установки определяют по эмпирической зависимости:

м. (7.37)

На современных экскаваторах устанавливают унифицированную кабину с габаритными размерами: высотой 1,65 м, шириной 1 м и длиной 1,25 м. Ее размещают справа или чаше, слева в передней части поворотной платформы с выдвижением вперед за переднюю балку последней на 0,2...0,3 м.

Координаты пяты стрелового гидроцилиндра (высота h_пц и радиус r_пц)

м; м. (7.38)

Координаты пяты стрелы (высоту h_пc и радиус r_пс)

м; м. (7.39)

На основании выполненных расчетов вычерчивается в масштабе конструктивная схема экскаватора. При этом должны обеспечиваться угловые перемещения рабочего оборудования (см. рис. 7.4). Для ковша α^/_к = 130^о, α^//_к = 5°, для рукояти α_р = 30...130°, для стрелы α_с = ± 50°.

Мощность двигателя

кВт, (7.40)

где М_макс – максимальный момент копания на оси поворота ковша, кН м;

η – КПД шарнирной системы (η ≈ 0,8);

ω_мин – минимальная угловая скорость ковша, для работы цилиндром ковша принимается равной 0,25...0,3 рад/с.

Максимальный момент копания рассчитывается по формуле

кН∙м, (7.41)

где Р_макс – максимальное усилие копания, кН;

R_к – радиус копания, м (рис. 7.5, при копании грунта поворотом рукояти – R_к = R + l_p, при копании грунта поворотом ковша – R_к = R).

Максимальная толщина стружки (рис. 7.5) срезаемой ковшом находится из выражения

м, (7.45)

где φ – угол поворота, отвечающий срезанию стружки максимальной толщины. При копании рукоятью φ ≈ 30...40^о, при копании ковшом φ ≈ 60...65°.

Ориентировочно усилие Р_макс можно определить из равенства

кН, (7.46)

а мощность N – по формуле

кВт, (7.47)

где m – масса экскаватора, т.

По известной мощности двигателя и заданному давлению в гидросистеме подбирают гидронасос экскаватора. Давление жидкости в гидросистеме современных экскаваторов составляет не менее 25 МПа. Применяют регулируемые гидронасосы с диапазоном регулирования 2...2,5.

Рис. 7.4 Конструктивная схема гидравлического экскаватора

Рис. 7.5 Копание грунта поворотом рукояти и поворотом ковша

3. Согласно рекомендаций Домбровского Н.Г., для предварительных расчетов, размеры рабочего оборудования (рис. 7.6) обратной лопаты (длину стрелы l_c и рукояти l_p, радиус ковша R (формула 7.3)) и основные параметры копания (радиус копания R_к = х + N_к, высота выгрузки H_в, радиус выгрузки R_в, глубина копания H_к), для одноковшовых гидравлических экскаваторов, определяются с помощью формулы (7.8) и значений коэффициентов, представленных в табл 7.3.

4. Эксплуатационная производительность экскаватора (м³/ч, м³/смену, м³/сутки, м³/месяц, м³/год):

, (7.48)

где V – геометрическая емкость ковша, м³;

К_н – коэффициент наполнения ковша (табл. 7.6);

К_р – коэффициент разрыхления грунта (табл. 7.6);

К_в – коэффициент, учитывающий использование экскаватора по времени; (при работе в транспорт К_в = 0,70,75; при работе в отвал К_в = 0,80,9).

К_м – коэффициент, учитывающий квалификацию машиниста (К_м = 0,86 – для строительных универсальных экскаваторов);

t_р – период работы, ч;

Рис. 7.6 Схема к определению параметров шарнирно-сочлененного оборудования обратной лопаты

Т_ц – продолжительность одного рабочего цикла:

с, (7.49)

где t_к – продолжительность копания, принять 4÷8 с;

t_п – продолжительность поворота на выгрузку, принять 6÷10 с;

t_в – продолжительность выгрузки, принять 1÷3 с;

t_пз – продолжительность поворота в забой, принять 5÷9 с.

Коэффициенты наполнения ковша и разрыхления грунта. Таблица 7.6

Наименование грунта	Категория грунта	Коэффициент наполнения ковша Кн	Коэффициент разрыхления грунта Кр	Удельное сопротивление копанию kк, кПа
Песок и гравий, щебень и хорошо взорванная скала	I, II, V, VI	0,95…1,05	–	–
Песок рыхлый, сухой	I	1,05…1,10	1,05…1,10	25…70
Песок влажный, супесь, суглинок разрыхленный	I	1,15…1,30	1,10…1,20	25…70
Суглинок, мелкий и средний гравий, легкая глина	II	1,20…1,25	1,15…1,25	90…180
Глина, плотный суглинок	III	1,10…1,25	1,20…1,30	120…250
Тяжелая глина, сланцы, суглинок со щебнем, гравием	IV	1,18…1,35	1,25…1,30	250…400

Исходные данные к расчету гидравлического одноковшового экскаватора обратная лопата. Таблица 7.7

Параметры	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
Размерная группа экскаватора	2	2	2	3	3	3	4	4	5	5	4	4	4	5	5	7	7	3	3	3	4	4	4	5	5
Объем ковша – V, м3	0,25	0,3	0,4	0,5	0,63	0,8	1,0	1,25	1,6	1,75	0,5	0,63	0,8	1,0	1,25	1,6	1,75	0,63	0,5	0,4	0,63	0,8	0,63	1,2	1,4
Период работы – tp, ч	1	24	8	7	24	8	7	1	1	1	7	8	24	7	1	1	1	24	8	24	7	8	24	1	8
Разрабатываемый грунт	Глина	Песок	Супесь	Легкая глина	Плотн. суглинок	Песок сухой.	Супесь	Суглинок	Песок. влаж	Глина	Песок	Супесь	Легк. глина	Плот суглин	Песок сухой	Супесь	Суглинок	Песок. влаж	Глина	Песок	Супесь	Легк. глина	Плотн. суглинок	Песок сухой	Супесь
Ходовое устройство	К	К	К	К	Г	К	Г	Г	Г	Г	Г	К	Г	Г	Г	Г	Г	К	Г	К	Г	К	К	Г	Г
*К – пневмоколесное ходовое устройство; **Г – гусеничное ходовое устройство.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белецкий Б.Ф. Строительные машины и оборудование: Справочное пособие. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. – 592 с.

2. Плешков Д.И., Хейдяц М.И., Яркин А.А. Бульдозеры, скреперы, грейдеры. М.: Высшая школа, 1980. – 327 с.

3. Добронравов С.С., Дронов В.Г. Строительные машины и основы автоматизации. М.: Высшая школа, 2001. –575 с.

4. Васильев А.А. Дорожные машины. М.: Машиностроение, 1987. – 340 с.

5. Строительные машины. Под редакцией Э.Н. Кузина. М.: Машиностроение, 1991. – 497 с.

6. Холодов А.М. Проектирование машин для земляных работ. – Х.: Вища шк. Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. – 272 с.

7. Ветров Ю.А. и др. Строительные машины. Практические упражнения. – К.: Вища школа, 1974. – 160 с.

8. Домбровский Н.Г., Гальперин М.И. Строительные машины. Ч. ІІ Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1985. – 224 с.

9. Крикун В.Г., Манасян В.Г. Расчет основных параметров гидравлических экскаваторов с рабочим оборудованием обратная лопата. – М.: АСВ, 2001, – 104 с.

10. Волков Д.П. Машины для земляных работ. – М.: Машиностроение, 1992. – 447 с.

Учебное издание