В общем виде капитальные вложения (Кп) определяются суммой:

Кп=Кизг+Книр+Спр

где: Кизг- капитальные вложения предприятия изготовителя машин;

Книр- принимаемые к расчету капитальные вложения для выполнения НИР;

Спр -предпроизводственные затраты.

Предпроизводственные затраты включают в себя исследовательские
проектные работы, испытания машины, отработку технологического плана
по освоению нового изделия:

где Сои - затраты на опытно-исследовательские работы за весь период проведения НИР;

- стоимость проектных работ;

- затраты на отработку технологического процесса;

- затраты на испытания конструкции;

- прочие расходы.

Сырье и материалы на собственное изготовление деталей, узлов определяются исходя из норм расхода материалов, цены и количества изготавливаемых деталей. Предлагается выделить пять конструктивных групп сложности изготовления деталей, узлов.

- группа 1 - сварные конструкции (рамы, станины, корпуса и т.д.);

- группа 2 - детали и узлы, требующие механической обработки. К этой группе относятся элементы шарнирных соединений (пальцы, стопорные кольца, валы и оси).

- группа 3 - особо сложные детали. В эту группу отнесены ролики и звездочки элеватора, а также подшипники скольжения в шарнирах механизмов скрепера и гидроцилиндры.

- группа 4 - узлы механизации и автоматизации;

- группа 5 - прочие менее сложные конструкции.

Стоимость материалов по каждой группе определяется по формуле

где - стоимость материалов в среднем на 1 тонну веса конструкции;

V - вес конструкций, деталей данной группы сложности. Расчеты сводятся в табл.3.

Затраты на оплату труда определяются исходя из действующей системы оплаты труда, тарифных ставок, окладов или других нормативов по оплате труда. Тарифные сетки по оплате труда приведены в /12/.

Доплаты применяются исходя из реальных надбавок, в зависимости от региона, где расположено предприятие (для Хабаровска поясной коэффициент равен 1,3), доплата за выслугу лет - в зависимости от стажа работы, применяется также с учетом реальных условий. В среднем можно принять в размере 1,25, премиальные и другие доплаты - по усмотрению разработчика с учетом реальных условий действующего предприятия. Расчет затрат на оплату руда ведем по форме табл. 4.

Таблица 3 - Расчет стоимости материалов.

для существующего скрепера
Группа сложности	Вес деталей, тонн (без покупного оборудования)	Стоимость 1тонны материала	Общая стоимость материала (гр. 2х хгр.З)
1	2	3	4
1 2 3 4 5	39,1	36000	1407600
	8,9	44000	391600
	10,2	80000	816000
	3,4	160000	544000
	6,87	28000	192360
Итого	3351560
для конструируемого скрепера
Группа сложности	Вес деталей, тонн (без покупного оборудования)	Стоимость 1тонны материала	Общая стоимость материала (гр. 2х хгр.З)
1	2	3	4
1 2 3 4 5	39,8	36000	1432800
	8,9	44000	391600
	11,6	80000	928000
	4,1	160000	656000
	6,18	28000	173040
Итого	3581440

Таблица 4 Расчет заработной платы

Группы сложно-сти	Вес конст-рукции V,т	Трудо- емкость Т, чел.-ч	Общая трудо- емкость гр.2•гр.3	Тарифная ставка, руб.	Прямая зарплата гр.4•гр.5	Доплаты,руб.	Всего зар- плата руб.
						РК, гр.6•0,3	За выслугу лет •0,25	Др.доплаты
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1 2 3 4 5	39,1 8,9 10,2 3,4 6,87	10 30 70 90 6	391 267 714 306 41,2	14,8 15,95 17,1 20 13,47	5786,8 4258,6 12209,4 6120 555,2	1736 1277 3662 1836 166	1446 1064 3052 1530 138		8969 6600 18924 9486 860,6
Итого									44841
Группы сложно-сти	Вес конст-рукции V,т	Трудо- емкость Т, чел.-ч	Общая трудо- емкость гр.2•гр.3	Тарифная ставка, руб.	Прямая зарплата гр.4•гр.5	Доплаты,руб.	Всего зар- плата руб.
						РК, гр.6•0,3	За выслугу лет •0,25	Др.доплаты
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1 2 3 4 5	39,8 8,9 11,6 4,1 6,18	10 30 70 90 6	398 267 812 369 37	14,8 15,95 17,1 20 13,47	5890,4 4258,6 13885,2 7380 499,4	1767 1277 4165 2214 149	1472 1064 3471 1845 125		9129 6599 21521 11439 773
Итого									49461

Отчисления на социальные нужды рассчитывают по единому социальному налогу - 26%. В единый налог включаются взносы в Пенсионный фонд, Фонд социального страхования и Фонд обязательного медицинского страхования.

Расчет эксплуатационных затрат проектируемой машины.

Эксплуатационные затраты выражаются двумя видами показателей:

а) затратами в единицу времени (машино-смену, машино-час); .

б) затратами на единицу продукции (м3 грунта, 1т груза, м2 планировки и т.п.).

В соответствии с методическими указаниями МДС 81-3,99, введенными в действие с 1 января 2000 года в состав затрат на эксплуатацию машин (руб./маш.-ч.) входят:

СМАШ=А+Р+Б+3+Э+С+Г+П, (5.10)

где А - амортизационные отчисления на полное восстановление;

Р - затраты на выполнение всех видов ремонта, диагностирование и техническое обслуживание;

Б - затраты на замену быстроизнашивающихся частей;

3 - оплата труда рабочих, управляющих машиной (машинистов, водителей);

Э - затраты на энергоносители;

С - затраты на смазочные материалы;

Г- затраты на гидравлическую и охлаждающую жидкость;

П - затраты на перебазировку машин с одного объекта строительства (базы механизации) на другой, включая монтаж машин с выполнением пусконаладочных операций, демонтаж, транспортировку с погрузочно-разгрузочными операциями.

Амортизационные отчисления на полное восстановление.

Амортизационные отчисления на полное восстановление определяются по формуле:

,

где Цп - первоначальная цена машины, равная сумме цены франко-завод-изготовитель (продавец) по маркам (моделям) машин данной типоразмерной группы и затрат на первоначальную доставку машины от продавца к потребителю с учетом транспортных расходов, затрат на погрузочно-разгрузочные работы, затрат на тару, заготовительно-складских расходов(взяты приближенные значения);

На - норма амортизационных отчислений, процент/год. Показатели На принимаются по установленным единым нормам амортизационных отчислений на машины данного вида и данной типоразмерной группы;

Т - годовой режим эксплуатации машины, маш-ч/год.

руб./маш-ч.;

руб./маш-ч..

Затраты на выполнение всех видов ремонта, диагностирование и техническое обслуживание.

Затраты на выполнение всех видов ремонта, диагностирование и техническое обслуживание машин определяются по формуле:

,

где Нр - норма годовых затрат на ремонт и техническое обслуживание в процентах от первоначальной стоимости машины Цп при отсутствии региональных или отраслевых норм годовых затрат на ремонт и техническое обслуживание машин.

руб./маш-ч.,

руб./маш-ч..

Затраты на замену быстроизнашивающихся частей.

Затраты на замену быстроизнашивающихся частей определяется по формуле:

,

где Цбч- цена быстроизнашивающейся части франко-продавец, руб./единица;

Зд.бч - затраты на доставку быстроизнашивающихся частей к потребителю с учетом транспортных расходов, включающих погрузо-разгрузочные работы, стоимость тары и т.д., руб./единица;

Зп.бч - оплата труда ремонтных рабочих, исключая машиниста (машинистов), занятых на замене быстроизнашивающихся частей, руб./ед.;

Кбч - количество быстроизнашивающихся частей данного вида, одновременно заменяемых на машине, ед.;

Н+П - индивидуальные нормы соответственно накладных расходов и прибыли в долях от оплаты труда рабочих, занятых на замене быстроизнашивающихся частей;

Тр - нормативный ресурс (срок службы) быстроизнашивающейся части, маш.-ч.

=4,45 руб./маш-ч.,

=1,78 руб./маш-ч..

Оплата труда рабочих, управляющих машиной.

Количество и квалификационные разряды рабочих, управляющих машинами, устанавливаются с учетом и на основе следующих нормативных источников (в порядке очередности применения):

-методических рекомендаций по определению размера средств на оплату труда в договорных ценах и сметах на строительство и оплате труда работников строительно-монтажных и ремонтно-строительных организаций (МДС 83-1.99);

-единого тарифно-квалифицированного справочника;

-действующих производственных норм.

Расходы на оплату труда (3) определяется по формуле:

З=Зт +Зп +Зу.р +Зо +Зр +За

где Зт - часовая тарифная ставка рабочих, управляющих машиной ;

Зп- начисления стимулирующего характера, в том числе премии за производственные результаты, надбавки к тарифным ставкам и окладам за профессиональное мастерство, высокие достижения в труде и иные подобные показатели, принимаются в размере 15-30% от Зт;

Зу.р - начисления стимулирующего и (или) компенсирующего характера, связанные с режимом работы и условиями труда, в том числе надбавки к тарифным ставкам за работу в ночное время, работу в многосменном режиме, за работу в тяжелых вредных, особо вредных условиях труда, за сверхурочную работу и работу в выходные и праздничные дни, производимые в соответствии с законодательством Российской Федерации;

Зо - затраты на оплату труда, сохраняемую работникам на время отпуска;

Зр - надбавки, обусловленные районным регулированием оплаты труда, 30 % от Зт;

Зн - надбавки, предусмотренные за непрерывный стаж работы в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях, 10-30 % от Зт.

З=80 +12 +10 +8 +24 +24=158 руб./маш-ч.,

З'=75 +11,25 +8 +22,5 +22,5=139,25 руб./маш-ч..

Затраты на энергоносители.

Затраты на энергоносители отчисляются по следующим основным видам: бензин, кг./руб.; дизельное топливо, кг./руб.; электроэнергия, квт-ч./руб.; сжатый воздух, м3/руб.

Затраты на бензин и дизельное топливо для строительных машин (Эт) определяется по формуле:

где НТ - норма расхода бензина (дизельного топлива) при работе машины в технологическом режиме с учетом внутригаражного расхода, кг./маш.-ч.;

ЦТ - текущая рыночная цена приобретения бензина (дизельного топлива) франко-нефтеналивная база (автозаправочная станция), руб./кг;

ЗД.Т - затраты на доставку бензина (дизельного топлива) до заправляемой машины, руб./кг.' Этот показатель отражает затраты, связанные с эксплуатацией автотопливозаправщиков, а также с амортизацией и эксплуатацией промежуточного склада энергоносителей.

=122,25 руб./маш-ч.

=146,7 руб./маш-ч.

Затраты на смазочные материалы.

Затраты на смазочные материалы для карбюраторных и дизельных машин определяются по формуле:

где ЭТ - затраты на жидкое топливо, руб./час

Е - коэффициент перехода от Эт к затратам на смазочные материалы.

=16 руб./маш-ч.,

=15,2 руб./маш-ч..

Затраты на гидравлическую жидкость.

Затраты на гидравлическую (рабочую) жидкость (Г) определяется по формуле:

где О - средневзвешенная емкость гидравлической системы машины данной типоразмерной группы, л;

Дг - плотность гидравлической жидкости - 0,87 кг./л;

Кд - коэффициент доливок гидравлической жидкости, восполняющих систематические ее утечки при работе машины - 1,5;

Пг - периодичность полной замены гидравлической жидкости для машин данной типоразмерной группы, раз/год - 2;

Цг - цена гидравлической жидкости (франко-автозаправочная станция), руб./кг;

Зд.г - затраты на доставку гидравлической жидкости до обслуживаемой машины, руб./кг., определяются с учетом транспортных расходов, включая погрузочно-разгрузочные работы, стоимость тары и т.д.;

Т - годовой режим работы машины, маш.-ч./год.

=5,35 руб./маш-ч.

=4,23 руб./маш-ч.

Затраты на перебазировку машин с одной строительной площадки на другую.

Затраты на перебазировку определяются по следующим схемам: своим ходом; на буксире; на прицепе без демонтажа; на прицепе с демонтажем и последующим монтажом.

Затраты на перебазировку строительной машины на прицепе (полуприцепе, прицепе-тяжеловесе и т.п.) без ее демонтажа и последующего монтажа, с погрузкой на прицеп своим ходом или с помощью лебедки (или иного приспособления, оборудованного на транспортном средстве) определяется по формуле:

где РПР - расценка на эксплуатацию прицепа (полуприцепа, прицепа-тяжеловеса), руб/маш.-ч;

ЗП - оплата труда машиниста перебазируемой машины, руб./маш.-ч;

РТ - расценка на эксплуатацию тягача, руб./маш.-ч;

РМС - расценка на эксплуатацию машины сопровождения, руб./маш.-ч;

В - время перебазировки машины, маш./ч;

ТП- время работы машины на одной строительной площадке, маш.-ч; ограничивается временными рамками периода между двумя перебазировками строительной машины и определяется по формуле:

где Т - годовой режим, работы перебазируемой машины, маш.-ч/год;

КПЕР - количество перебазировок машин данной типоразмерной группы в год, раз/год.

=187 маш.-ч.,

=13,63 руб./маш-ч..

Затраты на эксплуатацию машин:

СМАШ=1064+744,8+4,45+158+122,25+16+5,35+13,63=2128,48 руб./маш-ч.,

С'МАШ=980+686+1,78+139,25+146,7+15,2+4,23+13,63=1986,79 руб./маш-ч..

Определение годовой эксплуатационной производительности.

Эффективность модернизации определяется годовой экономией:

, (6.1)

где - годовая эксплуатационная производительность предлагаемого скрепера;

- себестоимость разработки одного кубометра существующим скрепером;

- себестоимость разработки одного кубометра проектируемым скрепером.

Себестоимость работ, выполняемая данной машиной, определяется по формуле:

(6.2)

где Пэ,ч, - часовая эксплуатационная производительность;

Смаш - себестоимость машино-часа, в рублях.

Часовая эксплуатационная производительность предлагаемого скрепера и прототипа по формуле:

где ПТЧ - техническая часовая производительность, рассчитанная по соответствующим формулам в технической части дипломного проекта, с учетом технических (проектных) параметров техники;

КТ=0,55 - коэффициент перехода от технической производительности к эксплуатационной .

Техническая производительность определяется по следующей зависимости:

м3/ч,

где - объем ковша, м3;

- коэффициент наполнения ковша, для скрепера с интенсификатором и для существующей машины;

- коэффициент разрыхления грунта, ;

- время цикла скрепера.

Время цикла скрепера складывается из нескольких составляющих и определяется по зависимости:

где - длина пути заполнения, м;

- длина пути транспортирования грунта, м;

- длина пути разгрузки, м;

- длина пути порожнего скрепера, м;

- скорость движения скрепера при заполнении, м/с;

- скорость движения груженого скрепера, - для проектируемого скрепера и для существующего;

- скорость движения скрепера при разгрузке, м/с /3/;

- скорость движения порожнего скрепера, - для проектируемого скрепера и для существующего;

- время на переключение передачи, с;

- время на один поворот, с.

- максимальная скорость движения порожнего скрепера, м/с.

Длина пути наполнения скрепера , равна:

м,

где 0,7 - коэффициент, учитывающий неравномерность толщины стружки;

- коэффициент, учитывающий потери грунта при образовании призмы волочения и боковых валиков, .

- толщина срезаемой стружки, м;

- Ширина ковша, м.

Тогда

 м,

а для прототипа

м.

Время цикла для вновь проектируемой машины

с.

Время цикла для прототипа

с.

Тогда производительность предлагаемого скрепера:

м3/ч.

Производительность прототипа:

м3/ч.

С учетом приведенных зависимостей, техническая производительность была определена для прототипа (табл. 1.1) и проектируемого скрепера (табл. 1.2).

Таблица 1.1 - Расчет часовой технической производительности существующего скрепера ДЗ-107

Показатель	Дальность транспортировки грунта, м
	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
, сек	301	406	511	616	721	825	930	1035	1140	1245
,м3/ч	208	154	123	102	87	76	67	60	55	50

Таблица 1.2 - Расчет часовой технической производительности проектируемой машины

Показатель	Дальность транспортировки грунта, м
	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
, сек	297	403	508	614	719	825	930	1036	1141	1247
,м3/ч	263	194	154	128	109	95	84	76	69	63

Эффективной дальностью транспортировки грунта скреперами в строительстве является 200-400 м , поэтому для оценки годовой экономии зададимся дальностью транспортировки грунта, при работе на строительной площадке, 300 м.

Тогда часовая эксплуатационная производительность предлагаемого скрепера:

м3/ч.

прототипа:

м3/ч.

Тогда по формуле (6.2) себестоимость работ предлагаемого скрепра:

руб./м3;

прототипа:

руб./м3.

Сменная эксплуатационная производительность определяется:

где tСМ - производительность смены, в ч.

=418 м3/см,

=334,4 м3/см.

Годовая эксплуатационная производительность рассчитывается по формуле

где Пэч - эксплуатационная среднечасовая производительность;

КПР - коэффициент, учитывающий простои в работе, технике, не учтенные в Пэч;

ТГ - количество часов работы в год.

=83600 м3/г,

=66880 м3/г.

Таким образом по формуле (6.1) годовая экономия :

руб/г

показатель по сроку окупаемости

,

лет

Таблица 1.1 Сравнительная характеристика

Сравниваемый параметр	Единицы измерения	Существующая машина (ДЗ-107)	Проектируемая машина
Мощность двигателя	кВт	810	810
Транспортная скорость	км/ч	50	50
Производительность	м3	66880	83600
Эксплуатационные затраты	руб./маш-ч	1986,79	2128,48
Себестоимость производства единицы работ	руб.	36,87	20,67
Годовая экономия	руб.	568480
Показатель по сроку окупаемости	лет	6,5

7. РАСЧЕТ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ ТЯГОВОЙ РАМЫ

Тяговая рама представляет собой продольные упряжные тяги, к концам которых прикреплен ковш. В передней части эти тяги связаны поперечной балкой, выполненной из трубы. К средней части поперечной балки приварена арка-хобот, на конце которой размещено прицепное устройство к передней

Разбиваем раму на два элемента:. упряжные тяги с трубой; кривой брус - хобот.

Тяговая рама служит для соединения тягача с ковшом скрепера, она охватывает ковш с двух сторон и крепится к нему продольными балками. Передняя часть рамы опирается на прицепное устройство, которое размещено на седельно-сцепном устройстве тягача скрепера. Соединение рамы с ковшом шарнирное; шарниры цилиндрические или шаровые. Переднее прицепное устройство имеет продольный и вертикальные шарниры, обеспечивающие возможность поворота тягача или передней оси как в горизонтальной плоскости, так и в поперечной вертикальной плоскости

Тяговая рама прицепного скрепера (рисунок 7.1) сварная, П-образной формы. В передней части рамы имеется стойка с двумя проушинами для пальцев оси вертикального шкворня сцепного устройства машины 1 и хобот 2. Хобот представляет собой кривой брус коробчатого сечения. К поперечной балке (трубчатой формы) 3 рамы приварены две тяги 4 коробчатого сечения и кронштейны 5 для гидроцилиндров подъема ковша. Тяги имеют проушины 6 для шкворней, соединяющих раму с ковшом скрепера.



Рисунок 7.1 - Тяговая рама скрепера

Для составления расчетной схемы рамы скрепера следует учитывать нагрузки, действующие как на тягач, так и на скрепер. Как уже отмечалось, основными нагрузками, действующими на раму скрепера, являются реакции от седельно-сцепного устройства, усилия от механизма подъема и опускания ковша и реакции в шарнирах продольных балок. Неизвестными усилиями в расчетной схеме (см. рисунок 7.2) являются шесть реакций в шарнирах D и D` .

Рассматриваемая расчетная схема рамы является симметричной и поэтому, составляя уравнения моментов относительно осей z и z` (рисунок 7.2) , и , определим RD`x и RD`z.

Рисунок 7.2 - Расчетная схема рамы скрепера

Найдем реакцию RDy

Рисунок 7.3 - К расчету рамы скрепера методом сил: а - заданная система; 6 - основная система; в - эпюра моментов от действия X1 =1; г - эпюра моментов в основной системе от действия внешней нагрузки

Определяем коэффициенты и . Для каждого участка берем площадь эпюры и умножаем на ординату этой же эпюры, проходящую через ее центр тяжести:

м3

Здесь множитель 1/EJ упущен.

Определим далее коэффициент 1р:

1р=2•(4•102,94•4,316+430,4•4,316)=3634,8 Н•м3

Множитель 1/EJ упущен.

Находим X1:

X130,4 кН

Усилие RDy равно X1.. RDy=30,4 Н.

RDz=6,25 кН

Усилие

RDx=197,58 кН

Эпюры продольных сил и изгибающих моментов показаны на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 - Эпюры продольных сил и изгибающих моментов

Усилия расположены в плоскости рамы и равны соответственно:

Rox•cos; Roy•sin; Roz•sin.

Как правило, опасными сечениями для продольных тяг рамы являются сечения в месте соединения их с поперечной балкой.

7.1 Расчет на прочность поперечной балки тяговой рамы

Поперечная балка тяговой рамы скрепера представляет собой трубчатую конструкцию. Рассмотрим сечение - (см. рисунок 7.1) и определим действующие напряжения.

Момент сопротивления сечения изгибу

где D и d - наружный и внутренний диаметры трубы.

Таким образом,

м3

Момент сопротивления сечения кручению

,

где =d/D.

Тогда

Wкр=2•Wх=2•0,0517=0,103 м3

В рассматриваемом сечении трубы (рисунок 7.5) действуют изгибающие моменты

,

,

где l - длина поперечной балки;

lц - расстояние от торца поперечной балки до сечения установки гидроцилиндров.



Рисунок 7.5 - Геометрические характеристики сечения трубы

кН•м,

кН•м.

Крутящий момент

где lT - длина упряжной тяги.

кН•м.

Нормальные напряжения изгиба

, .

Касательные напряжения кручения

.

Приведенные напряжения в сечении - по теории Мора:

.

МПа

Аналогично определяются напряжения и в других сечениях перечной балки. Результаты расчета удобно свести в итоговую таблицу.

Запас прочности определяется по формуле

,

Условие выполняется.

7.2 Расчет на прочность упряжных тяг

В качестве примера рассмотрим порядок расчета на прочность упряжной тяги 4 в сечении - (рисунок 7.6).

При расчете предполагаем, что опоры D и D` представляют собой подвижные шарниры и искривление нейтральной оси тяги не учитывается.

Сечение - находится от оси упряжного шарнира на расстоянии l=3,31 м.

Площадь сечения

F=F1-F2,

где F1 -площадь, ограниченная наружным контуром сечения; площадь, ограниченная внутренним контуром сечения. В нашем случае (рисунок 7.6)

F=0,76•0,2-0,72•0,14=0,051 м2



Рисунок 7.6 - Геометрические характеристики сечения

Момент сопротивления сечения относительно оси z-z

где b1,, b2 - ширина сечения по наружному и внутреннему контуру;

h1,, h2 - высота сечения по наружному и внутреннему контуру.

Таким образом

м3

Определение напряжений в сечении осуществляется по формулам:

-для нормальных напряжений изгиба

;

-для нормальных напряжений растяжения-сжатия

.

Полное напряжение в сечении

.

Изгибающий момент в сечении определяется по формуле:

Mz=RDz•l

Mz=6,25•3,31=20,687 кН•м

Нормальная сила в сечении N=179,97 кН

МПа

При значении предела текучести для материала упряжных тяг сталь 15ХСНД =3500 кг/см2 имеем запас прочности.

Аналогично рассчитывают и другие сечения упряжных тяг.

8. РАСЧЕТ ГИДРОМЕХАНИЗМОВ

8.1 Расчет механизма подъема-опускания ковша

Основная задача расчета сводится к определению усилия, необходимого для подъема заполненного ковша, и подборе гидроцилиндров механизма.

Усилие в гидроцилиндрах , необходимое для подъема и последующего удержания ковша в поднятом положении, определяется из уравнения суммы моментов сил относительно точки О, крепления упряжных балок тяговой рамы к ковшу, рисунка 8.1.

,

где , - соответственно вертикальное и горизонтальное усилия, действующие в шкворне со стороны тягача;

- момент в шкворне тягача;

- вес тяговой рамы;

м; м; м; м.



Рисунок 8.1 - Схема к определению усилия подъема ковша

Для определения , и воспользуемся следующими формулами

кН;

,

где - коэффициент трения колесного движителя;

- коэффициент сцепления,

кН,

кН.

Для определения составим уравнение моментов сил, действующих на базовый тягач относительно седельного устройства (точка О1 на рисунке 2.8)



Рисунок 8.2 - Схема для определения момента в шкворне седельного устройства

Тогда момент будет равен

,

где - коэффициент динамичности;

кН - сопротивление качению, ();

кН - сила тяги;

кН - реакция грунта на ведущие колеса тягача;

м; м; м,

кНм,

кН.

По усилию S рассчитывается диаметр гидроцилиндра следующим образом, (мм),

,

где - число гидроцилиндров, =2;

- коэффициент, =0,6;

- максимальное давление в гидроцилиндре =19,2 МПа;

- к.п.д. гидросистемы, =0,73.

Тогда

мм.

По данным /6/ выбирается гидроцилиндр со следующими параметрами:

- диаметр гидроцилиндра мм;

- диаметр штока мм;

- ход поршня мм.

8.2 Расчет механизма задней стенки

Механизм открывания днища ковша обеспечивает свободную разгрузку только части грунта из ковша скрепера. Полная разгрузка ковша, а также очистка от грунта боковых стенок и днища производится принудительно, с помощью специального механизма, который состоит из подвижной задней стенки ковша с роликами качения и гидроцилиндров

Задачей расчета механизма сдвижного днища является, определение необходимого усилия для перемещения откатного днища и подбор соответствующих гидроцилиндров. . Расчет механизма разгрузки произведем исходя из условия отказа в работе механизма открывания днища. Такой отказ может произойти в результате поломки гидроцилиндров перемещения откатного днища или заклинивания откатного днища каменистыми включениями, находящихся в грунте. В такой ситуации возникает необходимость опорожнить ковш через ножевую систему после подъема нижнего конца элеватора путем перемещения задней стенки. Расчетная схема механизма представлена на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3 - Схема усилий, действующих при разгрузке

При определении усилия, потребляемого для принудительной разгрузки ковша скрепера, за расчетное положение принимается начало передвижения задней стенки при полной загрузке ковша грунтом

Сила , необходимая для выталкивания грунта, определяется по формуле

,

где - сопротивление трения грунта о днище ковша;

сопротивление качению роликов задней стенки по днищу ковша;

- сопротивление трения грунта о боковые стенки ковша;

- сопротивление, связанное с преодолением сил инерции движущейся массы грунта и задней стенки при включении механизма разгрузки ковша.

Сопротивление определяется по формуле

кН.

Сопротивление равно

,

где - активное давление грунта на боковую стенку ковша,

,

где Н=2,1 м - высота наполнения ковша;

L=3,66 м - длина ковша;

- угол внутреннего трения грунта о грунт.

кН,

кН.

Сопротивление качению роликов равно

,

где кН - вес задней стенки;

f=0,125 - коэффициент сопротивления качению роликов,

кН.

Сопротивление определяют по формуле

,

где - скорость движения задней стенки;

t=1 c - время разгона;

g - ускорение свободного падения,

кН,

кН.

Мощность, необходимая, для разгрузки ковша скрепера определяется из выражения

,

где - КПД привода задней стенки,

кВт.

Установленной мощности двигателей на скрепере должно хватить для разгрузки ковша и одновременного движения, т.е.

.

Или после подстановки

кВт.

,

условие выполняется.

По усилию рассчитывается диаметр гидроцилиндра следующим образом, (мм),

,

Тогда

мм.

По данным выбирается гидроцилиндр со следующими параметрами:

- диаметр гидроцилиндра мм;

- диаметр штока мм;

- ход поршня мм.

8.3 Расчет механизма сдвижного днища

Разгрузка ковша скрепера осуществляется через щель в днище ковша, которая образуется в результате перемещения специального откатного днища. Откатное днище представляет собой щит коробчатого сечения. На откатном днище установлены ролики, с помощью которых оно перемещается по направляющим ковша. Перемещение откатного днища осуществляется двумя гидроцилиндрами. Задачей расчета механизма сдвижного днища является, определение необходимого усилия для перемещения откатного днища и подбор соответствующих гидроцилиндров. Расчетная схема механизма представлена на рисунке 8.3

Сопротивление перемещению откатного днища представим в виде суммы двух сопротивлений:

,

где - сопротивление трения грунта в ковше об откатное днище;

- сопротивление качению роликов откатного днища по направляющим ковша.

Сопротивление трения грунта об откатное днище определяют из условия, что две трети веса грунта в ковше оказывают давление на поверхность откатного днища. Тогда определим из выражения

кН.

Уравнение может быть определенно из уравнения

,

где =6500 Н- вес откатного днища;

f=0,125- коэффициент сопротивления качению роликов,

кН,

кН.

Необходимое усилие в одном гидроцилиндре для перемещения откатного днища равно

кН.

По усилию Sзас рассчитывается диаметр гидроцилиндра следующим образом, (мм),

,

Тогда

мм.

По данным /6/ выбирается гидроцилиндр со следующими параметрами:

- диаметр гидроцилиндра мм;

- диаметр штока мм;

- ход поршня мм.

8.4 Расчет механизма подъема заслонки

Наибольшееусилие открывания заслонки Pзас возникает при разгрузке ковша с «шапкой» в начальный момент ее открывания. Схема сил, действующих на заслонку показана на рисунке 8.4 .из уравнения моментов сил относительно точки O находим

;

где Gзас12 - вес заслонки, кН;

Gгр- вес грунта в ней (условно заштриховано), кН.

Масса грунта в заслонке зависит от ширины заслонки Bзас, ее высоты Hзас, длины L3ас и формы. Для приближенных расчетов принимаем

Gзгр=Kзас•Bзас•Hзас•Lзас•г,,

где Kзас- коэффициент учитывающий конфигурацию заслонки, Kзас=0,8;

Gзгр=0,8•3,85•1,2•1,2•17000=75398,4 Н =75,39 кН

Рисунок 8.4 -Схема сил действующих на заслонку

Трение грунта по плоскости А-В (смотри рисунок ) не учитываем, так как при повороте заслонки ее лобовая часть отходит от ковша и связь между грунтом в заслонке и грунтом в ковше нарушается.

кН,

По усилию Sзас рассчитывается диаметр гидроцилиндра следующим образом, (мм),

,

Тогда

мм.

По данным /6/ выбирается гидроцилиндр со следующими параметрами:

- диаметр гидроцилиндра мм;

- диаметр штока мм;

- ход поршня мм.

9. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

9.1 Направления совершенствования рабочего процесса скреперов

В последнее время в машиностроении наблюдается рост единичной мощности выпускаемых машин, расширение типа размерного ряда, расширение выпуска колесных тягачей, являющихся базовыми для скреперов. Существенно снизился выпуск прицепных скреперов к гусеничным тягачам.

Агрегатирование скреперов с энергонасыщенными колесными тягачами (удельная мощность 12-18 к кВт/т) приводит к недоиспользованию мощности двигателя в режиме копания на ЗО-6О%.

Проведенный технико-экономический анализ показал, что основными направлениями совершенствования рабочего процесса скреперов являются следующие. Первое - снижение сопротивлений при наполнении ковша традиционной конструкции или ковша с устройствами пассивного действия, снижающими сопротивления наполнению. Второе - применение устройств активного действия, которые используют избыток мощности на механизмах загрузки ковша или, непосредственно в ковше минуя двигатель. К первому направлению относится создание ковшей с оптимальными параметрами, применение двухщелевой загрузки, направляющих устройств, наклон боковых стенок, применение переменной ширины копания, ступенчатых ножей. Ко второму - применение элеваторной; шнековой, винтовой загрузки, подгружающих лопастей, заслонок, применение газовой смазки. Вышеуказанные разработки направлены в первую очередь на снижение сопротивлений трения грунта о грунт в ковше, замены внутреннего трения внешним при одновременном снижения внешнего трения.

9.2 Сравнительные испытания различных механизмов загрузки ковша скрепера грунтом

Традиционные прицепные и самоходные скреперы имеют существенный недостаток, заключающийся в необходимости использования трактора-толкача при наборе грунта. В связи с этим возникла проблема обеспечения самозагрузки с помощью различных специальных загрузочных устройств, установленных непосредственно в ковше скрепера.

В лаборатории физического моделирования кафедры дорожно-строительных машин МАДИ по заказу НПО «ВНИИстрондормаш» проведены исследования для получения сравнительных данных по эффективности различных механизмов загрузки ковша. Анализ научно-технической информации в этой области позволил выделить в основных групп конструкций: скребковый и шнековый элеваторы, «активная» заслонка, роторный метатель, «активное днище», «активный нож», а также меры, направленные на их совершенствование.

Анализ динамики патентования позволил установить наиболее перспективные группы и определить основные тенденции развития оборудования для механизированной загрузки скреперов. Проанализированы 1540 патентов и 319 авторских свидетельств. Наиболее перспективными группами, имеющими наибольшие темпы развития в течение десяти лет, являются скреперы со скребковыми (первая группа) и шнековыми элеваторами (вторая группа). Анализ развития последней группы, объединяющей активный нож и другие небольшие устройства, показал, что постоянно идет процесс поиска новых технических решений по совершенствованию конструкций механизмов загрузки ковша скрепера. Конструкции скреперов с «активной» заслонкой, роторным метателем и «активным» днищем не могут быть отнесены к перспективным в соответствии с замедленными темпами их развития.

При проведении сравнительных испытаний в качестве базовой была выбрана модель традиционного ковша скрепера вместимостью 8 м3, выполненная в масштабе 1 : 7, оборудованная сменными механизмами загрузки:

скребковыми элеваторами традиционного исполнения СП1 (рисунок 1, а) и с нижней загрузочной ветвью СП2 (рисунок 1, б);

шнековым элеватором с одной, двумя и четырьмя вертикальными (1ШП, 2ШП и 4ШП) (рисунок 1, г) или четырьмя наклонными рабочими органами (4ШНП) (рисунок 1, е);

винтовым (одновитковым) элеватором с одной, двумя и четырьмя вертикальными (1ВП, 2ВП, 4ВП) (рисунок 1, д) или четырьмя наклонными рабочими органами (4ВНП) (смотрите рисунок 1, е);

«активной» заслонкой (A3), работающей в режиме копания с траекторией движения нижней кромки заслонки ниже открытой поверхности грунта (рисунок 1, в).

Экспериментальные исследования модели ковша, подвешенного к тензометрической тележке стенда на трех вертикальных тягах: передней, выполненной в виде гидроцилиндра, и задних в виде полос шириной 20 мм, проведены на стенде физико-математического моделирования.

б)

а)

Рисунок 9.1 - Механизмы загрузки ковша скрепера грунтом:

а -- скребковый элеватор традиционного исполнения: б -- скребковый элеватор с нижней загрузочной ветвью; s -- «активная» заслонка; г -- шнековый элеватор с одним, двумя или четырьмя вертикальными рабочими органами; д--винтовой элеватор с одним, двумя или четырьмя вертикальными рабочими органами; е -- шнековый (или винтовой) элеватор с четырьмя наклонными, рабочими органами.

Для экспериментов выбрали смеси, моделирующие два типа грунтов: сыпучий, как наиболее трудоемкий для разработки скреперами, и наиболее распространенный - суглинок.

В качестве показателя, обобщенно характеризующего эффективность процесса копания и используемого для сравнения эффективности работы различных механизмов загрузки, были приняты энергоемкость процесса копания Е, представляющая собой работу, необходимую для набора в ковш скрепера единицы массы грунта, а также обобщенный показатель ПNG . В качестве вспомогательного показателя, дополняющего картину энергозатрат на процесс копания грунта ковшом скрепера, использовали величину горизонтальной составляющей копанию на заключительном этапе набора грунта в ковш (потребляемая сила тяги Т). Эти показатели, а также другие параметры процесса получили путем непосредственной обработки осциллограмм. Для каждого механизма загрузки получены минимальные значения величин Е, ПNG и тяги Т в зависимости от глубины копания h. Эти данные использовали в качестве исходных для проведения сравнительного анализа эффективности работы различных механизмов загрузки ковша.

Во всем диапазоне изучаемых значений глубины копания h=70…210 мм при разработке сыпучих грунтов все исследованные механизмы загрузки обеспечивают снижение энергоемкости процесса на глубине 70; 140; 210 мм в 1,3-4,3; 1,3-3; 1,3-2,2 раза соответственно.

С увеличением глубины копания эффективность использования механизмов загрузки ковша для снижения энергоемкости процесса снижается. При глубине более 280 мм использование всех изучаемых механизмов, за исключением винтовых и шнековых с одним рабочим органом, не эффективно (рисунок 3). При диапозоне h=70…140 мм кривые энергоемкости механизмов СП1 и СП2 практически совпадают. Преимущество скребкового элеватора с нижней загрузочной ветвью состоит в том, что величина энергоемкости не меняется при снижении скорости цепи элеватора на 8-9 %, при глубине копания более 140 мм она снижается и при h=210 мм повытается на 14 %. Однако эти данные получены на основе прогнозирования и требуют проверки. В диапазоне h=70…140 мм скребковые элеваторы имеют минимальную энергоемкость процесса по сравнению с другими механизмами загрузки.

Характер изменения энергоемкости идентичен для винтовых и шнековых механизмов загрузки с двумя и более рабочими органами. Исключение составляют кривые, построенные для винтового и шнекового механизма загрузки с одним рабочим органом.

Хорошие показатели энергоемкости среди винтовых и шнековых механизмов загрузки в диапазоне h=70…140 мм имеет механизм 2ШП, а в диапазоне h=140…210 мм - 4ВП. Однако показатели энергоемкости механизмов 2ВП, 4ШНП приближаются к ним.

С точки зрения копания грунта на оптимальной для каждого механизма загрузки глубине, в диапазоне h=70…210 мм наименьшую энергоемкость обеспечивают механизмы загрузки 4ВП, 2ВП, 2ШП при глубине копания соответственно 190, 230 и 197 мм.

Таким образом, при глубине копания до 140 мм наиболее целесообразно использовать скребковые элеваторы, при глубине 140…210 мм наиболее эффективны скреперы с механизмами загрузки 4ВП, 2ШП, 2ВП, в диапазоне h=210…350 мм-скреперы с винтовым и шнековым элеватором с одним рабочим органом, при h=350 мм - скреперы традиционной конструкции соответствующего класса тяги. Однако на практике это не реализуется.

При анализе эффективности работы скрепера необходимо учитывать, что максимально возможное тяговое усилие, которое может быть развито скрепером с ковшом вместимостью 8 м3, соответствующим объему модели ковша, при пересчете с натуры на модель достигает 290-320 кН. Следовательно, сила тяги тягача достаточна для обеспечения самозагрузки ковша с помощью всех исследованных механизмов. Во всем диапазоне глубины копания (70…210 мм) минимальное потребление тягового усилия имеют скребковые элеваторы, причем наименьшее - у элеватора с нижней загрузочной ветвью. Разность между значениями потребляемого усилии у элеваторов с верхней и нижней загрузочными ветвями увеличивается с увеличением h.

Среди механизмов загрузки шнекового и винтового типа наименьшее потребление тягового усилия зафиксировано для, механизмов с четырьмя рабочими органами 4ШП, 4ВНП и 4ШНП, хотя их преимущество по сравнению с механизмами загрузки 2ШП и 2ВП с увеличением глубины уменьшается. При увеличении глубины копания (h>210 мм) значения тягового усилия для всех перечисленных механизмов практически одинаковы.

Механизмы загрузки обеспечивают уменьшение потребляемой силы тяги на последнем этапе копания по сравнению с традиционным скрепером. В диапазоне h=70…210 мм скребковые элеваторы снижают ее потребление в 5,5-7,5 раза, винтовые и шнековые элеваторы - в 2,3-3,5 раза, при h=140…210 мм винтовые и шнековые механизмы загрузки обеспечивают снижение потребляемой силы тяги в 2- 2,3 раза.

Механизмы загрузки 1ВП и 1ШП позволяют снизить потребление силы тяги только в 1,5-1,6 раза. Это объясняется тем, что во время рабочего процесса не обеспечивается своевременный отвод поступающего на нож грунта при рассмотренных режимах работы рабочих органов. Заполнение ковша грунтом в определенной степени осуществляется традиционным способом, что увеличивает потребление тягового усилия.

Скрепер с «активной» (подгребающей) заслонкой по значению энергоемкости E и величине потребляемого тягового усилия T имеет показатели, близкие к лучшим, достигнутым для винтовых и шнековых элеваторов. Однако расход мощности на привод механизма загрузки подгребающей заслонки, превышающий на 20-40 % расход мощности на привод других загрузочных устройств, а также возникновение значительных вертикальных динамических нагрузок позволяют сделать вывод, что этот механизм существенного выигрыша по силовым и энергетическим затратам не дает.

Нужно сказать что, из устройств активной загрузки ковша наиболее надежным, наименее трудоемким в изготовлении, наименее ''металлоемким является подгребавшая заслонка.



а) б)

Рисунок 9.2 - Зависимость сопротивления копанию Т (а) и энергоемкости Е (б) от глубины для моделей ковша скрепера, оборудованных механизмами загрузки ковша: 1 - скрепер с ковшом, заполняемым с помощью тягового усилия; 2 - 1BM; 3 - 1ШП; 4 - 2ВП; 5 - 2ШП; 6 - 4ВП; 7 - 4ШП; 8 - 4ВН; 9 - 4ШНП; 10 - A3; 11 - СП1; 12 - СП2

По данным предварительного анализа результатов работы описанных выше механизмов загрузки на связных грунтах установлено, что их эффективность снижается по сравнению с разработкой сыпучих грунтов. Так, снижение потребляемой силы тяги по сравнению со скрепером, заполняемым тяговым усилием, не превышает 20-30 %. Энергоемкость процесса набора при этом практически не снижается.

Пассивные устройства, например грунтонаправляющие аппараты, существенно уступая активным рабочим органам в снижении энергоемкости при работе на сыпучих грунтах, имеют равные показатели на связных и значительно превосходят активные рабочие органы по показателям надежности. В результате годовые наработки на 1 м 3 вместимости ковша скреперов с активными устройствами механической загрузки и пассивными устройствами типа направляющих аппаратов в средних грунтовых условиях практически равны.

В то же время стоимость скрепера с активным устройством загрузки больше почти в два раза, материалоемкость и трудоемкость изготовления выше в 1,3 и 2 раза соответственно.

Весьма перспективным является комбинированные устройство, включающее грунтонаправляющий аппарат с газовой смазкой поверхности пластин. Такое устройство позволяет снизить сопротивления нападению в 3-4 раза (без подачи газа на поверхность пластин в 1,3-1,5 раза). Надежность скрепера при этом снижается незначительно в 2-2,5 раза, тяговое усилие на завершающем этапе заполнения - в 2-2,5 раза.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что в настоящее время наиболее перспективными являются устройства интенсификации процесса наполнения скрепера, имеющие высокие характеристики надежности, обеспечивающие существенное снижение энергоемкости и тягового усилия. Такими устройствами являются грунтонаправляющие аппараты и подгребающие заслонки.

Также важно сказать о применении криволинейных ножей скрепера, которые обеспечивают хорошее врезание в грунт, способствуют существенному улучшению режима работы машин, позволяя вести копание грунта толстыми стружками. Увеличение глубины копания у скрепера с криволинейными ножами и получение более прочных стружек повышает интенсивность загрузки ковша грунтом и снижает ее энергоемкость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным расчетов можно сделать вывод, что сохранение тяги путем применения элеватора с одной нижней и двумя верхними ветвями позволяет улучшить тяговые характеристики и повысить производительность

При этом наблюдается некоторое усложнение конструкции и незначительное снижение надежности. Применение такой элеваторной загрузки позволяет заполнять грунтом ковш большей вместимости по сравнению с традиционными моделями.

Оснащение строительства надежными высокоэффективными машинами, ускоренная замена устаревшей техники новой, высокопроизводительной - это один из важных рычагов повышения эффективности строительства.

Интенсификация земляных работ осуществляется главным образом на базе совершенствования организационно-технологических мероприятий по эффективному использованию имеющегося парка землеройной техники, создание и внедрение производства новой технологии и материалов, создание машин различной единичной мощности и производительности, работающих на основе новых технических эффектов.

ЛИТЕРАТУРА

Баловнев В.И. Интенсификация разработки грунтов в дорожном строительстве. - М.: Машиностроение, 1993. - 235 с.

Гоберман Л.А. Основы теории, расчета и проектирования строительных и дорожных машин. - М.: Машиностроение, 1988. - 464 с.

Залко А.И., Ронинсон Э.Г. Современные скреперы. -М.: ЦНИИТЭСтроймаш, 1983. - 51 с.

Забегалов Г.В., Ронинсон Э.Г. Бульдозеры, скреперы, грейдеры. - М.: Высшая школа, 1987. - 507 с.

Машины для земляных работ/Н.Г.Гаркави, В.И. Аринченков, В.В. Карпов и др. - М.:Высшая школа, 1982. - 335 с.

Зенков Р.Л. Машины неприрывного транспорта М.:Высшая школа, 1980

Белоногов Л.Б., Кычкин В.И. Скреперы. - Пермь: 1996. - 78 с.

Артемьев К.А., Борисенков В.А. Теория и расчет скреперов и скреперных агрегатов. - Воронеж: 1996. - 342 с.

Анурьев В.И., Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т.:Т.2. - М.: машиностроение,1992. - 784 с.

Расчет скреперов с элеваторной загрузкой. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Машины для земляных работ» для студентов 4 курса. - Хабар. Политехн. Ин-т, 1983.-31 c.

Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник - М.: Машиностроение, 1983. - 301 с.

Размещено на Allbest.ru