Мелиоративные машины - каналокопатели

Рабочий орган машины выполнен в виде двухстороннего отвала и симметрично расположенных по бокам под углом 45° к горизонту двух дисковых фрез с рыхлителями. Отвал служит для разделения грунта в выемке на две равные части, равномерной подачи его на фрезы, защиты открытого канала от попадания грунта и пассивного резания грунта нижней части отвала. На наружном конусе фрезы радиально приварено шесть метательных лопастей со сменными ножами, на внутреннем — лопатки без ножа для создания более ровных откосов. Рыхлители крепят к наружной трубе планетарного редуктора. Они обрушивают грунт, подрезаемый фрезами. Фрезы вращаются со скоростью до 30 м/сек, необходимой для создания усилия среза и измельчения растительности, торфа и разбрасывания вынутого грунта на расстояние до 20 м.

 

Рисунок 2.1 – Двухфрезерный каналокопатель полунавесной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

Направление вращения фрезы принимаем прямым во избежание забрасывания разработанного грунта в отрываемый канал и для уменьшения мощности на трение между откосом  канала  и рабочим органом. Толщина  разбрасываемого слоя принимаем по литературе [1] hот =0,15 м.

 

Определяем площадь поперечного сечения канала (рис 3.1):

Ак = 4Hк( )/3; (3.1)

 Ак = 4·1,4·(

)/3 = 2,61 м2,

где  Нк – глубина канала (рис 3.1, 3.2) Н = 1,4 м;

        а = 0,7.

   

Рисунок 3.1 – Схема к определению дальности отбрасывания разработанного фрезами грунта.

Рисунок 3.2 – Схема разработки поперечного сечения параболического канала.

 

 

Определяем ширину по дну (рис. 3.1):

bу = 0,25 Нк; (3.2)

bу = 0,25· 1,4 = 0,35 м.

 

Величину глубины условного канала можно ориентировочно принять по зависимости (рис. 3.3):

Ну = 0,8 Нк;                                                                      (3.3)

Ну = 0,8 ·1,4 = 1,12 м.

Рисунок 3.3 – Схема разработки параболического канала.

 

Определяем ширину по дну:

bу = 0,25 Нк; (3.4)

bу = 0,25· 1,4 = 0,35 м.

Для каналов параболического сечения λср равно углу наклона к горизонту касательной к параболе.

Определяем угол наклона откоса к горизонту:

λср = arc tg ; (3.5)

λср = arc tg

= 54˚.

Определяем дальность разбрасывания грунта фрезами:

lот = Ак kp / 2 hот; (3.6)

lот = 2,61 ·1,2 / 2 ·0,15 = 10,44 м.

где, hот – толщина разбрасываемого слоя hот = 0,15 м;                                                                                        

        kp = 1,2 – коэффициент разрыхления [1] ;

 

Определяем окружную скорость фрезы:  

Vокр = (1,3 … 1,5 ) lот; (3.7)

Vокр = (1,3 … 1,5) · 10,44 = 13,5 … 15,6 м/сек.

Угол разгрузки выбираем  q = 60˚ [1];

    Определяем  радиус фрезы по концам ножей (рис 3.4):

 

rфр = Ну /[(1 + cos q) sinλ]; (3.8)

rфр = 1,12 /[(1 + cos 60)sin54] = 0,9 м,

   

Тогда диаметр фрезы   Dфр = 2 · rфр = 1,8 м (рис 3.4).

 

Рисунок 3.4 – Схема к определению диаметра фрезы

 

Необходимо определить угол разворота фрез αраз по формуле:

 

а = Dфр(sin αраз)/2;                                                 (3.9)

Отсюда

αраз = arcsin(2a/Dфр);                                            (3.10)

 

Значение а можно рассчитать следующим образом:

 

а = (b2 – b1)cos λср;                                                                             (3.11)

 

где b1 и b2 – свободные члены уравнений прямых.

 

Расчёт b1 можно выполнить по формуле:

 

b1 = Hy + by/(2tg λср) = 1,12 + 0,35/2·1,37  =  1,25  м,                      (3.12)

 

а расчёт b2 - по формуле

 

b2 = Hk/2 + (Hk/2a)1/2/tg λср = 0,7 + 0,9/1,37 = 1,43  м,                      (3.13)

 

Находим:

 

а = (1,43 – 1,25) · cos54° = 0,25 м,

 

Рассчитываем αраз:

 

αраз = arcsin(0,35·2/1,8) = arcsin(0,264) = 16°.

 

Шаг ножей определяем по формуле:

Тн = πDфр /zн; (3.14)

Тн = 3,14·1,8 /3 = 1,8 м.

где zн – число ножей.

 

Число ножей определяем из выражения:

zн = π Dфр Пт / (vокр Ак с); (3.15)

zн = 3,14 ·1,8·0,069  / (14·2,61·0,006) = 2,2.

     где Пт – техническая производительность каналокопателя, см3/с. По заданию Пт = 250 м3/ч = 0,069 см3/с.

Число ножей принимаем для торфяных грунтов zн = 3 c установкой в два ряда. Ножи принимаем гребенчатой формы для лучшей разработки древесных остатков.

 

    Подачу на нож рассчитываем по формуле:

c = π Dфр Пт / (vокр Ак zн); (3.16)

c = 3,14 ·1,8· 0,069 / (14·2,61·3) = 0,003 м,

Увеличиваем подачу в два раза и получаем  с = 0,006 м.

   где Пт – техническая производительность каналокопателя;

 

Ширину фрезы определяем по формуле:

bфр = Dфр/(15…20); (3.17)

bфр = 1,8/(15…20) = 0,12…0,09 м.

    Ширину фрезы принимаем bфр = 0,12 м,

При двух линиях резания: bн = bфр / 2 = 0,12 / 2 = 0,06,

    Ширину  ножа принимаем bн = 0,06 м.

Принятое значение bфр должно удовлетворять условию размещения фрез на дне канала. Края фрез не будут соприкасаться, если выполняется данное условие:

bфр ≤ bд /(2sinλ); (3.18)

0,12 ≤ 0,35 /(2sin54),

0,12 ≤ 0,22.

Условие выполняется.

 

Требуемый угол разворота фрез αраз примем из обзора конструкций. У экскаватора ЭТР-153 он равен 14°. Принимаем αраз = 14˚.

 

                                              

Рисунок. 3.5 – Геометрия режущей части ножа.

 

Угол резания ножа (рис. 3.5), прорезающего узкие щели  в  переувлажненных грунтах, a = 60 °, задний  угол b = 20 ° [1].

Длина ножей измеряемая в радиальном направлении, принимаем lн =0,1 м [1].

Рисунок 3.6 – Конструкция фрезы с гребенчатыми ножами

Угол отклонения aл от радиального направления принимаем aл= 20°.

 

Ширина лопаток bл принимается меньше ширины ножей и рассчитывается по формуле:

bл = bн – 0,02; (3.19)

bл =0,12 – 0,02 = 0,1 м.

Радиус лопаток rл рассчитывается по формуле:

rл = Dфр / 2 - lн; (3.20)

rл = 1,8 / 2 – 0,1 = 0,8 м.

 

Определим значение lл:

(lл2 bл cos2 aл ω kн / 3kр) – (lл bл rл cos aл ω kн / kр) + Пл = 0; (3.21)

где ω – угловая скорость лопатки, м/с;

kн – коэффициент наполнения пространства в котором происходит транспортирование грунта лопатками, принимаем  kн = 0,15 [3];

rл – радиус конца лопатки;

Пл – техническая производительность лопаток по выносной способности, м3/с.

 

Угловая скорость фрез определяется по формуле:

 

ω = 2 · Vокр/ Dфр, рад/с;                                                             (3.22)

 

ω = 2 · 14/ 1,8 = 15 м/с.

 

Лопатки должны обеспечивать производительность Пл, которая определяется по формуле:

Пл = Пт – (2Hy / sin λ )bф ·Vn;                              (3.23)

Пл = 0,069 – 2·1,12 /0,8 ·0,12·0,026 = 0,06 м3/c.

 

Скорость рабочего передвижения vп рассчитываем по формуле:

 

vпном = Птном /A ном; (3.24)

vпном = 250 /2,61 = 95,7 м/ч = 0,026 м/c.

Подставляем значение

 

(lл2 · 0,1 · 0,92 · 15· 0,15/ 3 · 1,2)– (lл · 0,1 · 0,8 · 0,96 · 15 · 0,15/ 1,2) + 0,06= 0,

 

0,06 · lл2 – 0,14 · lл+0,06 = 0,

 

ах2 + bх + с = 0;

 

lл2 – 2.3lл + 1 = 0;

 

Д = b2 – 4ас = 2,3 2 – 4 · 1 · 1 = 1,29,

 

х1 = –b+

/2 · а = (2,3 +1,13)/2 · 1 = 1,6 м,

 

х2 = – b –

/2 · а = (2,3 –1,13)/2 ·1 = 0,58 м.

 

Принимаем длину лопатки lл = 0,58 м (рис. 3.6).

 

 

Таблица 3.1 – Основные параметры рабочего оборудования

Параметр	Размерность	Значение
Техническая производительность Окружная скорость фрез Диаметр фрезы по концам по концам ножей Ширина фрезы Число ножей на фрезе Число внутренних лопаток на фрезе Ширина внутренней лопатки Длина лопатки Угол отклонения лопатки от радиального направления Угловая скорость фрез Номинальная скорость рабочего передвижения	м3/ч (м3/с) м/с мм мм шт. шт. мм мм градус   рад/с м/ч (м/с)	250 (0,069) 15 1800 120 3*2 3 100 580 20   15 90 (0,026)

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ БАЛАНСА МОЩНОСТИ И ТЯГОВЫЕ РАСЧЕТЫ

4.1. Определение мощности  на привод рабочих органов

 

В общем виде мощность на привод рабочего органа каналокопателя определяется следующим выражением:

 

Рр. о= (Ркн + Ркл + Рр + Рпод + Ртр) /hр.о;                        (4.1)

 

где Ркн, Ркл,Рр, Рпод,Ртр – соответственно мощности на копание грунта ножами, на      копание лопатками, на разгон грунта, на подъем грунта и трение;

hр.о – к.п.д. рабочего органа, учитывающий потери мощности на разрушение    грунта торцами лопаток, трение грунта о лопатки, на рыхление грунта  рушителями и др.  Для  расчетов  принимается hр.о = 0,7...0,8 [3] .

 

Мощность на копание грунта ножами определяется выражением:

 

Pкн= 2 · k1 · bфр · lот · vп;                                        (4.2)

 

где k1 – удельное сопротивление грунта копанию;

 

lот = Ну/ sinλср;                                                   (4.3)

 

lот = 1,12/ sin 54 = 1,4 м.

 

Значение k1 зависит от средней толщины стружки δср.

Определяем δср:

 

δср = с · sin (φк/2);                                                           (4.4)

 

δср = 0,004 · sin (120/2) = 0,003 м.

 

с = vп · Тн ·/ vокр ;                                                                          (4.5)

 

с = 0,026 · 1,8/ 14 = 0,004 м.

 

Определяем k1:

 

k1 = k · δср-е · kα · kb · kφ · kг ,                                                        (4.6)

 

где k – коэффициент сопротивления копанию стружки;

е – показатель степени, принимаемый для торфяных грунтов – 0,33;

kα,kb,kφ,kг – соответственно коэффициенты, зависящие от угла резания α, ширины ножа bн, угла контакта φк, числа ударов Суд.

 

По таблице 4.2 [3] принимаем значения коэффициентов для определения k1:

Суд = 4 – для грунтов ǀ категории.

где  –  k = 160; δср = 0,003; kα = 1,3; kb =1,04; kφ = 1; kг = 0,57.

 

= 1/0,30,33 = 1,49,   

 

k1 = 160 · 1,49 · 1,3 · 1,04 · 1 · 0,57 = 180 кПа.

 

При наличии в грунте погребенной древесины значения k1 следует увеличить в 1,5…2 раза. Т.к. по заданию имеются древесные включения, k1 увеличиваем в 2 раза.

 

k1 = 180 · 2 = 360 кПа,

 

Pкн = 2 · 360 · 0,12 · 1,4 · 0,026 = 3,14 кВт.

 

Мощность на копание лопатками:

 

Ркл= D · k1 · Пт · (Ак – Ан)/Ак,                                                           (4.7) 

 

где Ан – площадь канала, вырезаемая ножами.

 D – коэффициент, учитывающий снижение k1 за счет того, что боковые  кромки ножа разбрасывают обрушивающий грунт, принимаем D = 0,5[3].

 

Ан = 2 · bфр · lот ; (4.8)

 

Ан = 2 · 0,12 · 1,4 = 0,4 м2,

 

Ркл = 0,5 · 360 · 0,069 · (2,61 – 0,4)/2,61 =10,5 кВт.

 

Мощность на разгон грунта Рр определяется по формуле:

 

Рр = Пт · ρ · vокр12/2,                                               (4.9)

 

где vокр1 – окружная скорость радиального сечения транспортируемого фрезой грунта, ориентировочно vокр1 = (0,8...0,9)vокр;

ρ – плотность грунта, принимаем ρ = 1700 кг/м3.

 

vокр1 = (0,8...0,9) · 14 = 11,2…12,6 м/с,                          (4.10)

 

Принимаем vокр1 = 12 м/с.

Рр = 0,069 · 1,1 · 122/2 = 5,4 кВт.

 

Мощность на подъем грунта определяется по формуле:

 

Рп = Пт · ρ · g · Hп,                                            (4.11)

 

где Нп – высота подъема грунта, рассчитывается по формуле:

 

Нп = Ну/2;                                                      (4.12)

 

Нп = 1,12/2 = 0,56 м.

 

Рп = 0,069 · 1,1 · 9,81 · 0,56 = 0,5 кВт.

 

Мощность на трение определяется по формуле:

 

Ртр = f2 · Пт · ρ · vокр2/2;                                              (4.13)

 

Ртр = 0,7 · 0,069 · 1,1 · 142/2 = 5,2 кВт.

 

где f2  – соответственно мощность на трение грунта о поверхность забоя, о лопатки.

 

Определяем мощность на привод рабочего органа каналокопателя:

Рр. о = (2,1 + 7,5 + 11,7 + 0,57 + 11,6) /0,75 = 40,6 кВт.

Мощность, приведенная к валу двигателя:

Рр. одв = Рр. о/ηтр,                                              (4.14)

 

где ηтр – к.п.д. трансмиссии, принимаем ηтр = 0,8.

 

Рр. одв = 40,6/0,8 = 50,7 кВт.

 

По этой мощности определяем мощность двигателя:

Рдв = kз · Рр. одв ;                                              (4.15)

 

Рдв =(1,2…1,3) · 50,7 = 60,8…65,9 кВт.

 

    Принимаем двигатель СМД – 14, номинальная мощность двигателя 66 кВт, при 1700 об/мин коленчатого вала. Ориентируемся на базовую машину МК – 23. Масса данной машины 7,81 т, учитывая, что бульдозерного отвала нет. Масса рабочего органа 1,6 т.

 

4.1.1 Определение суммарных реакций,

действующих на рабочие органы каналокопателя.

 

На рабочий орган каналокопателя действуют: силы сопротивления копанию грунта ножами; силы сопротивления копанию боковыми кромками лопаток; силы трения; силы, действующие на двухотвальный клин; силы сопротивления копанию зачистным клином. Первые три силы объединяем в суммарную реакцию грунта, разложим на касательную и нормальную реакцию.