 |
Основы расчета активных рабочих органов машин для ремонта земляного полотна
|
|
|
|
4.4.1. Определение рабочих параметров ротора
Основным рабочим органом для нарезки и очистки кюветов является роторное устройство бескамерной конструкции с подъемом выбранного грунта по запорному сектору и гравитационной разгрузкой ковшей в секторе разгрузки через неподвижный лоток на промежуточный конвейер. Особенностью роторного устройства является его подвижность в горизонтальной и вертикальной плоскости, что дает возможность формировать траншеи необходимой формы поперечного сечения. Вращение ротора сочетается с его поступательной подачей при движении состава с рабочей скоростью. В зависимости от положения ротора относительно траншеи реализуются разные схемы копания [22]. При положении плоскости ротора параллельно траншее схема копания аналогична схеме копания роторного траншейного экскаватора (разработка пионерной траншеи (рис. 4.17, а) шириной B т, м и глубиной H т, м), при положении указанной плоскости перпендикулярно траншее (рис. 4.16, б) – схема аналогична роторному экскаватору поперечного копания (расширение и углубление траншеи). При других положениях ротора (рис. 4.7, в) анализ процесса копания грунта предусматривает использование более сложных расчетных схем.
Наибольшая нагрузка на ротор может возникнуть при разработке прямоугольной пионерной траншеи, так как при этом наблюдается энергоемкий процесс блокированного резания грунта передней и боковыми кромками ковшей. В остальных случаях происходит полублокированное резание грунта передней и одной из боковых кромок. Определим геометрические параметры ротора, его производительность, действующие силы и энергетические параметры по методике [33] для этого расчетного случая.
|
|
|
Размеры ковшей (рис. 4.16, г) ротора рекомендуется определять по формулам: 
, 
, 
(b к, h к, l к и t к – соответственно, ширина, высота и длина ковша и шаг расположения ковшей, м). В случае конструкции ротора с расположением его привода по центру диаметр ротора D р по концам ковшей должен быть достаточным, чтобы гарантировать зазор между нижней частью привода и грунтом, иначе говоря, радиус ротора R р, м должен быть больше глубины траншеи H т (см. рис. 4.10, а).
Для гравитационного способа разгрузки угловая частота вращения ротора wр, рад/с не должна превышать критического значения wкр, рад, определяемого из условия начала падения частицы массой m, кг под действием веса в верхней точке A ротора. В этой точке на нее действует также центробежная сила, поэтому:
или 
(4.6)
где g – ускорение свободного падения, м/с2.
При бескамерной конструкции ротора его угловая частота принимается 
, а предельное значение составляет 
.
Техническая производительность ротора по грунту в траншее с учетом его разрыхления и наполнения ковшей, м3/ч:
(4.7)
где q к – емкость ковша, м3 (q к = 0,035 м3 – для ротора СЗП-600Р); Z к – число ковшей; K н – коэффициент наполнения ковшей грунтом (K н = 0,6 – 0,8); K р – коэффициент разрыхления грунта при копании (K р = 1,26 – в среднем).
При заданной производительности формула (4.7) может использоваться для определения емкости и числа ковшей. При увеличении числа ковшей уменьшается неравномерность нагрузки на ротор, связанная с поочередным выходом ковшей из забоя. Для ротора с 12 ковшами коэффициент неравномерности нагрузки достигает K нн = 1,58 – 1,81. Применение скосов боковых кромок ковшей позволяет уменьшить неравномерность нагрузки в 1,2 – 1,3 раза. При увеличении числа ковшей свыше 12 неравномерность нагрузки уменьшается незначительно.
При известных геометрических характеристиках ротора формула (4.7) может быть использована для определения минимальной по условию заданной производительности частоты вращения ротора. При прямоугольной траншее рабочая скорость движения машины, м/ч:
|
|
|
(4.8)
В случае установки ротора под углом к направлению движения производительность определяется по поперечной площади срезаемой стружки, равной разности между площадью поперечного сечения траншеи после и до прохода, умноженной на скорость движения машины.
Возможность разгрузки ковшей ротора определяется величинами углов: jрс – разгрузочного сектора, рад и jзс – запорного сектора, рад. В точке B частица грунта массой m, кг должна начинать падать вниз. На частицу, помимо силы веса, действует также центробежная сила F ц, Н. Движение частицы на лоток начнется в том случае, если радиальная составляющая разложения силы веса будет больше центробежной силы. Проведя анализ действующих сил, получается выражение для углов запорного сектора jзс и сектора разгрузки jлс, рад:
(4.9)
где R рс – радиус внешней поверхности запорного сектора, м.
Фактическая разгрузка ковша начинается с углом запаздывания Dj = 0,12 – 0,30 рад (7 - 17°), который зависит от крупности частиц грунта, его характеристик, конструкции ковшей ротора. При расчете угла сектора разгрузки анализируются также траектории полета частиц с учетом дополнительного наклона стрелы ротора. Угол jрс должен быть достаточным, чтобы не происходило перебрасывание частиц впереди ротора. Практически, для большинства случаев принимается jрс = 1,05 – 2,10 рад (60 – 120°).
Для расчета прочности ротора и параметров привода вращения и стрелы необходимо определить силы, действующие на ротор при копании. В контакте режущих кромок и грунта, согласно теории резания грунтов, рассматриваются силы, кН: P 01 – касательная к траектории копания; P 02 – действующая нормально к линии действия касательной силы; P 03 – действующая перпендикулярно к плоскости рабочего органа и возникающая при поперечном копании. Для анализируемого случая разработки прямоугольной траншеи на режущие кромки действуют расчетные силы P 01 и P 02.
Считаем, что максимальное усилие копания действует на ковш, выходящий из траншеи (рис. 4.17). Его величина, кН:
|
|
|
(4.10)
где k 1 – удельный коэффициент сопротивления резанию при проходе прямоугольной траншеи, кН/м2; S п – подача ротора за время последовательного выхода из забоя двух зубьев, м; a0 – максимальный центральный угол поворота ковша в забое, рад.
По опытным данным k 1 = 250 – 270 кН/м2 (в среднем 260 кН/м2) – для мягких грунтов и k 1 = 420 – 450 кН/м2 (в среднем 435 кН/м2) – для грунтов средней крепости.
Подача ротора за время выхода последовательных ковшей из забоя:
(4.11)
Центральный угол выхода ковша из забоя, рад:
(4.12)
Суммарное касательное усилие, действующее на все зубья ковшей, находящихся в забое, кН и составляющая крутящего момента, кНм:
и 
, (4.13)
где Da – центральный угол между двумя смежными ковшами, Da = 2p/Zк, рад; i = 0, 1, …, N – номера ковшей в забое, начиная от самого верхнего и кончая пересекшим вертикальную плоскость сечения траншеи.
При разработке траншеи энергия затрачивается на подъем грунта до верхнего уровня. При подъеме совершается работа по преодолению сил тяжести в потенциальном поле, всегда направленных вертикально, поэтому мощность привода, необходимая для подъема грунта, кВт:
(4.14)
где r – плотность грунта в траншее (r = 1700, 1800 и 1900 кг/м3 – соответственно, для грунтов I, II и III групп; H п – высота подъема грунта относительно уровня верха траншеи, м.
В рабочем процессе энергия также расходуется на трение грунта, находящегося в ковшах по запорному сектору. Однако этот расход не превышает 2 – 3 % общего расхода энергии, поэтому может не приниматься в расчет [33]. Тогда требуемая мощность привода вращения, кВт:
(4.15)
где h – кпд передачи вращения ротора, в среднем h = 0,7 – 0,9.
По известным формулам технической механики можно определить все остальные параметры привода.
4.4.2. Расчет пропускной способности
|
|
|
