Тяговый расчет и устойчивость скрепера

НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ СКРЕПЕРОВ

РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРИНЦИПЫ ПРИМЕНЕНИЯ СКРЕПЕРОВ

Скрепер является землеройно-транспортной машиной цикличного действия, выполняющей в процессе ее движения резание грунта, накопление его в ковше, транспортирование и выгрузку, иногда с разравниванием и уплотнением, в грунтовый отвал или сооружение. Эти машины широко применяют в дорожном строительстве для возведения насыпей и разработки выемок, в гидротехническом строительстве для рытья котлованов и сооружения дамб и плотин, в промышленном и гражданском строительстве для разработки котлованов, траншей и площадок, на вскрышных работах для срезки и рекультивации верхнего слоя грунта при добыче полезных ископаемых, а также на различных вспомогательных работах.

Скреперы используют чаще всего при разработке грунтов 1-ой и 2-ой категорий. При предварительном рыхлении они могут разрабатывать и грунты 3-ей и 4-ой категорий. Для ускорения заполнения ковша и увеличения производительности скреперы иногда работают вместе с толкачом.

Скреперы (Рис. 2.1) представляют собой комбинацию тягача 1 с тележкой 2, оснащенной ковшом 3, имеющим форму ящика, открытого спереди и сверху. Резание грунта осуществляется ножом 5, закрепленным на передней части днища. Толщина стружки изменяется в пределах 0,12...О,5 м в зависимости от размеров скрепера. Передняя часть ковша имеет шарнирно прикрепленную заслонку 6. Скреперы различают по виду соединения тягача с тележкой, по вместимости ковша, схеме соединения ковша с рамой, способу загрузки ковша.

Рис. 2.1. Самоходный скрепер.

По виду соединения тягача с тележкой скреперы бывают прицепные, полуприцепные и самоходные.

Прицепные скреперы имеют одно- или двухосную тележку (Рис. 2.2, а, б). Их применяют обычно с гусеничными тягачами при работе на сильно пересеченной местности с дальностью транспортирования до 0,6 км и подъемах не более 10°. Масса скрепера и грунта в ковше у этих машин в основном передается на ходовую часть тележки скрепера.

У полуприцепных скреперов (Рис. 2.2, в, г), как и у самоходных, масса машины и грунта в ковше передается примерно поровну на колеса и тележки. Эти машины применяют при подъемах до 15° и значительной дальности транспортирования. Обычно для полуприцепных машин последнюю принимают не более 1,5км и самоходных - не более 2 км. Однако в ряде случаев дальность транспортирования может быть экономически целесообразной и до 5...8 км.

Самоходные скреперы обычно изготовляют на базе одно -или двухосных тягачей. Для увеличения сцепного веса, что позволяет машине преодолевать большие подъемы и развивать

- 33 -

Рис. 2.2. Прицепной и полуприцепной скреперы.

более высокие скорости, у этих машин часто устанавливают двигатель как на передней, так и на задней осях. Синхронность вращения колес на всех ведущих осях в этом случае достигается применением гидромеханических трансмиссий, имеющих гидротрансформаторы на каждом двигателе. На машинах с ковшом вместимостью 25 м³ и более в дополнение к этому привод всех колес выполнен также дизель-электрическим или дизель-гидравлическим с мотор-колесами.

По вместимости ковшей скреперы делят на малые с ковшом вмес­тимостью до 4м³, средние - до 5...12 м³ и большие - более 12 м³.

По схеме соединения ковша с рамой машины скреперы делят на рамные (Рис. 2.1) и безрамные. В первом случае ковш с рамой соединен шарнирно. Передача тягового усилия тягача здесь в основном осуществляется через раму. При безрамной конструкции тяговое усилие воспринимается ковшом. Прочность и пространственная жесткость у него • обеспечиваются благодаря продольным и поперечным ребрам.

- 34 -

Загрузка ковшей может быть свободной и принудительной. В первом случае срезанная стружка грунта поступает в ковш за счет приложения тягового усилия. Это имеет место в процессе всего заполнения ковша. Во втором случае ковш наполняется с помощью скребкового элеватора (Рис. 2.3, а, б) или шнеков (Рис. 2.3, в-д).

Рис. 2.3. Скреперы с принудительной загрузкой ковшей.

В зависимости от схемы загрузки ковша различаются скреперы со свободной, полупринудительной, принудительной и щелевой загрузкой. При свободной загрузке грунт выгружается из ковша самотеком после открытия заслонки и наклона ковша в сторону режущей кромки или в обратном направлении. Во втором случае загрузка грунта достигается наклоном днища ковша вместе с задней стенкой относительно боковых стенок. При принудительной выгрузке грунт выталкивается из ковша перемещением его задней стенки по направлению заслонки. При щелевой загрузке грунт выгружается из ковша путем раздвижки его днища. В некоторых конструкциях раздвижка днища сопровождается и наклоном смещающейся его части.

- 35 -

2.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СКРЕПЕРОВ И ИХ РАСЧЁТ

В качестве главного параметра скрепера условно принята геометрическая вместимость (емкость) ковша.

Основными параметрами являются мощность двигателя, масса машины, её габаритные размеры, ширина и максимальная толщина срезаемого слоя грунта, колёсная база скрепера, рабочая и транспортная скорости, распределение силы тяжести по осям скрепера и др.

У прицепного скрепера как порожнего, так и загруженного на переднюю ось приходится в среднем 45 % общей массы, а на заднюю ось - около 55 %.

У самоходного порожнего скрепера на переднюю ось падает около 70 % общей силы тяжести, а на заднюю ось - около 30 %; у загруженного - общая сила тяжести распределяется на переднюю и заднюю оси примерно поровну.

На заполнение ковша грунтом оказывают существенное влияние свойства и состояние грунта, толщина стружки, форма и установка ножа и геометрические параметры ковша, а именно: ширина ковша, соотношение между шириной резания и шириной ковша, высота и длина и продольный профиль ковша.

Геометрическая форма ковша должна быть такой, чтобы на заключительной стадии его наполнения требовалась возможно меньшая удельная сила тяги (сила тяги, соотнесённая к 1 м³ грунта, набранного в ковш). При выборе формы ковша необходимо также учитывать требования снижения металлоёмкости и обеспечения хорошей манёвренности скрепера, так как удлинение ковша вызывает увеличение базы скрепера, и тем самым ухудшает его маневренность.

- 36 -

В основе методики определения основных параметров ковша (по К.А.Артемьеву) лежит предложение придания ковшу такого продольного профиля, который соответствовал бы контуру грунта, заполняющего ковш в условиях, когда задняя стенка не стесняет поступления грунта в ковш. Это достигается при условии, что высота задней стенки Н₃ составляет 45 % от высоты наполнения, то есть Н₃ = 0,45 Н.

Указанное требование вызывает необходимость соблюдения определённых соотношений между основными размерами ковша - его высотой, шириной и длиной.

Рис. 2.4. Продольный профиль ковша скрепера.

Максимальный объём ковша (Рис. 2.4), который может быть заполнен при данной силе тяги, определяется возможной высотой наполнения Н, положением точек контура В и С, углами б_0> v и ф под которыми откладывается грунт в ковше, внутренней шириной В, между боковыми стенками ковша.

- 37 -

За основной параметр, в зависимость от которого поставлены все элементы продольного профиля, принята высота ковша (высота наполнения). Под высотой ковша Н принимается расстояние от линии стыка ножа с днищем до наиболее высокой точки ковша, измеренной по вертикали. Для определения высоты ковша при заданной его ёмкости необходимо наметить соотношение между шириной и высотой ковша,

В

m = ----------. (2.1)

Н

Величина этого соотношения оказывает большое влияние на удельное сопротивление в конце наполнения ковша. Чем больше т, тем меньше удельное сопротивление, возникающее при наборе грунта в ковш на заключительной стадии его наполнения.

Падение удельных сопротивлений особенно интенсивно происходит по мере увеличения отношения m в пределах 1...3. При дальнейшем увеличении этого отношения снижение удельного сопротивления становится менее интенсивным.

Падение удельных сопротивлений по мере возрастания m тем больше, чем больше ёмкость ковша.

В существующих скреперах соотношение между шириной ковша В и высотой ковша Н_к составляет т= 1,40... 1,78.,

Таблица 2.1

Рекомендуемые отношения между шириной ковша и высотой наполнения

Ёмкость ковша q, м^3
m	1,7	1,9	2,2	w, \J

- 38 -

Ширина ковша в конечном счёте ограничивается допустимыми габаритами грузов для железнодорожого состава. Скреперы большой емкости перевозятся по железной дороге в разобранном виде.

Габаритная ширина скреперов В_г и внутренняя ширина ковша В связаны следующей зависимостью

В_г = В + 2А, (2.2)

где А - сумма толщины боковой стенки и её накладок жесткости

толщины несущей боковой тяги нередка и зазоров,

необходимых для взаимных перемещений узлов в работе, мм:

А = 175...265 мм.

Ширину ковша скрепера определяют в зависимости от колеи его

тягача по зависимости

В = К_т + В_ш + 26, (2.3)

где К_т - колея тягача, мм;

В_ы - ширина пневмомашины или гусеницы, мм;

5 - зазор между наружным краем шины или гусеницы и

боковой стенкой ковша, обычно б = 30...60 мм. Высоту и длину ковша обычно принимают:

Н = (0,4 * 0,6) В; L = (1,4 * 1,8) Н. (2.4)

Высоту передней и хвостовой частей ковша берут в

зависимости от Н:

высоту передней части ковша берут Я₁ > О,7Н; высоту хвостовой части ковша берут Н₂ > О,6Н.

- 39 -

Между ёмкостью ковша q_va, приходящейся на 1 м его ширины, и высотой наполнения ковша Н при Н₃ = 0.45Н при работе на супесях и суглинках существует следующая зависимость, полученная экспериментальным путём:

q₁ = 0,54 + 0,48Н + Н² в м³ на 1 пог.м ширины ковша.

При ширине ковша В = m • Н

q_K = q_t ■ В = m ■ (0,54Н + 0,48Н² + Н³), м³ (2.5)

Техническую производительность (м³/ч) скрепера определяют по

зависимости

П_т = 3600-q_K -K_H/(t_u-K_p), (2.6)

где q_K - геометрическая вместимость ковша, м³; К_н - коэффициент наполнения ковша; К_р - коэффициент разрыхления грунта в ковше: для песка и супеси К_р = 1,1... 1,2; для суглинка и глины К_р = 1,2...1,4. Продолжительность (с) рабочего цикла

Ц ⁼ Ц ⁺ '"п. г ⁺ ^р ⁺ Ц. П '

где t_K - время копания, зависящее от разрабатываемого грунта, размера машины, условий работы,

Ц -"-к / ^VK

где 1_к - длина пути при копании;

v_CK - скорость движения при копании;

- 40 -

Ъ_П:г> t_n.n ~ продолжительность движения с груженым и порожним ковшом,

^п. п ⁼ ^-п'^vn

где 1_п - длина пути при обратном ходе;

v_n - скорость движения при обратном ходе; t_p - время разгрузки ковша и маневрирования, t_p = lp/v_p, где 1_р - длина пути при разгрузке;

v_p - скорость движения при разгрузке.

Задачей общего расчета скреперов является проведение тягового расчета, проверка его устойчивости при работе и определение производительности.

В настоящее время в практике проектирования скреперов наибольшее применение получил тяговый расчет, предложенный Е.Р.Петерсом. По нему определение сопротивления передвижению скрепера ведется для конца наполнения ковша грунтом:

Р₀₁ = Р_р + Р_т + Р_н + Р_пр, (2.7)

где Р_р - сопротивление резанию;

Р_т - сопротивление передвижению скрепера с груженым

ковшом;

Р_н - сопротивление наполнению ковша;

Р_пр - сопротивление перемещению призмы волочения.

- 41

Сопротивление (кН) передвижению скрепера

;т_с + т_г) • (f ± Г

:2.8)

где т_с - масса скрепера, т;

т_г - масса грунта в■ ковше, т;

f - коэффициент сопротивления перемещению движителя; I - преодолеваемый уклон. Сопротивление (кН) резанию грунта

Р_р = K_t '-В-с

(2.9)

где iq В с

- удельное сопротивление грунта резанию;

- ширина ковша, м;

- толщина стружки, м, для конца копания

с - 0,05...О,2 м, соответственно для ковшей 3 и 25 м³.
•' Сопротивление Р_н наполнению

складывается из сопротивления Р_п силы тяжести поднимаемого столба грунта и сопротивления Р_тр трению грунта в ковше.

Сопротивление (кН) силы тя­жести столба грунта (Рис.2.5)

(2.10)

Р_п = B-c-H-p-g,

Рис. 2.5. Схемы к определению

сопротивления наполнению где Н - высота ковша, м;
ковша. р - плотность грунта, т/м³.

- 42 -

Сопротивление (кН) трению грунта в ковше обусловлено давлением со стороны прилегающих к нему с боков призм

Р_тр = X-B-H²-p-g, (2.11)

где

tg р sin р ■

1 + tg² р 2 (здесь р - угол внутреннего трения грунта).

Сопротивление (кН) перемещению призмы волочения перед ножом ковша и заслонкой

Р_пр = yB-H²-p-/i'-g, (2.12)

где у - коэффициент объема призмы волочения,

у = 0,5...О,7 для связных и сыпучих грунтов; д' - коэффициент трения грунта по грунту, при

аналогичных грунтах jli' = 0,3... 0,5. В данной" методике расчета так же, как и в аналогичной у бульдозера, неоднозначно может быть выражено сопротивление F_Tp трению грунта в ковше. Приведенная зависимость (2.11) свойственна поведению сыпучей среды. Рассмотренное же поведение грунта в ковше характерно для связных грунтов. На рис. 2.6 представлена картина наиболее вероятного взаимодействия ковша с малосвязным и несвязным -, сыпучим грунтом. Применительно к этому случаю сопротивление трению.грунта в ковше может быть представлено выражением

- 43 -

Р_тр ' = (jti-cosa + since) • Gj, -cosa + G_n -cosp- (д' -cosp + sinp). (2.13)

В соответствии с полученным сопротивлением передвижению скрепера Р₀₁ ведется подбор тягача.

Рис. 2.6. Схема к определению сопротивления трения

грунта в ковше.

Для самоходных скреперов без толкачей необходимо, чтобы максимальное окружное усилие Р_к на ведущих его колесах было согласовано с Р₀₁, т.е.

Р_к > Poi < ^рФ-- При использовании толкача с тяговым усилием Р_т

(Р_к + Р_т)-К₀ > Р₀₁,

- 44 -

где К₀ - коэффициент одновременности работы тягача и

толкача, принимаем при расчетах К₀ = 0,85...О,9. Завершается тяговый расчет скрепера проверкой условия сцепления движителей машины с основанием. При нормальной нагрузке на ведущие колеса или гусеницы машины и коэффициенте их сцепления с грунтом ф_сц это условие имеет вид

^сц ' Фсц ^ Р(И •

Значение G_cu зависит от распределения веса машины на оси ходового устройства. У прицепных скреперов при загруженном ковше на передние колеса приходится примерно 40%, а на задние - 60% общего веса машины. У полуприцепных машин на задние колеса передается около 60...70% веса скрепера. Остальной вес машины передается на сцепное устройство тягача. В самоходных скреперах вес машины распределяется по осям примерно поровну.

На стадии проектирования, когда вес скрепера неизвестен, его ориентировочно принимают в зависимости от вместимости ковша q (м³).

В прицепных скреперах

G_c = (l,0...1,2)-q; в полуприцепных скреперах

G_c = (0,9...1,3)-q; в самоходных скреперах

G_c = (2, 2... 2, 6) • q.

Вес скрепера с элеваторной или шнековой загрузкой больше соответствующего из рассмотренных случаев на 10...15%.

- 45 -

Устойчивость скреперов про­веряется при движении их под уклон, на подъем, по криволи­нейным участкам пути и по косо­гору. Запас устойчивости машины во всех этих случаях должен быть не менее 1,2.

Рис. 2..7. Схема к определению устойчивости скрепера на косогоре.

При движении скрепера по ко­согору возможно опрокидывание всей машины относительно ребра опрокидывания, проходящего че­рез опорные точки 0-0 (Рис. 2.7) ходовой части машины с од­ной из ее сторон, или только

части машины, вероятнее прицепной, относительно оси 0₁ - 0₁, проходящей через шарнир сцепного устройства тягача и опорную точку одного из задних колес.

В первом случае допустимый угол поперечного уклона

tg ос = (0,5В - a)/(l,2h ').

[2. 14)

Во втором - предельный угол наклона косогора

tg а = 1_ц/(1,2п_ц

(2.15)

- 46 -

Дата добавления: 2015-04-25