Составление конструктивной схемы металоконструкции машины (стрелы экскаватора). Выбор стали и определение расчетных характеристик

1 СОСТАВЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ МЕТАЛОКОНСТРУКЦИИ МАШИНЫ

Стрела экскаватора представляет собой балку переменного коробчатого сечения с переломом оси. Наибольшая ее высота – в сечении на перегибе стрелы, где действует максимальный изгибающий момент, и наименьшая – на концах балки. Стрела выполняется в виде сварной составной конструкции из стальных листов. В наиболее нагруженных участках предусмотрено усиление конструкции в виде накладок.

Рисунок 1 – Конструктивная схема стрелы экскаватора

Размеры поперечных сечений у изгиба стрелы определяются по соотношениям:

          Высота сечения h, м:

                                                         ,                                            (1)

где l – длина стрелы, м l = 4,6 м.

.

          Ширина сечения b, м:

                                                     ,                                            (2)

.

          Ширина сечения у пяты b₀ , м:

                                               ,                                                   (3)

.

          Высота концевых сечений h_к = 0,2 м.

2 ВЫБОР СТАЛИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЧЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Материал для металлоконструкций машин должен быть прочным,  упругим, должен сопротивляться циклическим и ударным нагрузкам, как при положительных, так и при отрицательных температурах, обладать коррозийной стойкостью и хорошей свариваемостью.

  Указанным требованиям соответствуют стали с содержанием углерода не более 0,22…0,25%. Стали с большим содержанием углерода, несмотря на высокую прочность, для металлоконструкций не принимаются из-за склонности к хрупкому разрушению и плохой свариваемости.  

 Для снижения металлоемкости конструкции и улучшения технической характеристики машины сталь необходимо выбирать наиболее прочную. Но в тоже время сталь должна быть вязкой, обладать динамической и циклической прочностью. 

Принята сталь 10ХСНД ГОСТ 19282-89.

Выбранная сталь имеет следующие характеристики:

Вид проката - листовой;

Толщина проката – от 4до 40 мм;

Температура эксплуатации – до 40⁰С;

Нормативное сопротивление по пределу текучести: R_уn = 390 МПа;

Нормативное временное сопротивление: R_un = 510 МПа.

Расчетные характеристики определяются в зависимости от применяемого метода расчета по предельным состояниям или по допускаемым напряжениям. В настоящие время расчет стальных конструкций и их элементов по допускаемым напряжениям применяется в случае отсутствия необходимых данных для расчета по методу предельных состояний. Метод предельных состояний как наиболее прогрессивный является единым методом расчета всех  инженерных конструкций. Так как стрела экскаватора работает в тяжелых условиях расчет ведем по предельным состояниям.

Расчетное сопротивление по пределу текучести при растяжении, сжатии и изгибе, R_y, МПа:

,                                                         (4)

где R_уп – предел текучести стали, МПа, R_уп = 390 МПа; γ_m – коэффициент надежности по материалу, γ_m = 1,1.

.

Расчетное сопротивление по временному сопротивлению при растяжении, сжатии и изгибе R_u , МПа:

,                                                          (5) где R_un–нормативное временное сопротивление стали, МПа, R_un=510 МПа;

.

Допускаемые напряжения для стали, используемой для изготовления стрелы экскаватора:

                                                  ,                                                      (6)

где - предел текучести стали, МПа, =390 МПа; n₀ – коэффициент запаса прочности, n₀=1,4.

.

                                               .                                               (7)

.

                                              .                                                  (8)

.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ НАГРУЗОК В СООТВЕТСТВИИ С ПРИНЯТЫМИ РАССЧЕТНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ КРАНА

При работе экскаватора на рабочее оборудование (стрела, рукоять, ковш) действуют нагрузки как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. В данном случае сила сопротивления врезанию F_р направлена под углом α. Боковая нагрузка на резец F_b приложена к ковшу и действует в плоскости перпендикулярной плоскости рабочего оборудования. При расчете стрелы необходимо учесть вес самой стрелы Q_с. Силы тяжести рукояти и ковша могут не учитываться, так как такое упрощение идет в запас прочности.

Основные размеры системы стрела-рукоять-ковш представлены на рисунк2.

В пункте 4 построена расчетная схема и произведен расчет. Расчетная схема к определению усилий в стреле экскаватора представлена на рисунке 3.

Расчет действующих нагрузок произведен в программе АРМ Structure 3D. Результаты расчетов приведены в таблице 1-3 и рисунках 3-9.

Рисунок 2 – Основные размеры системы стрела-рукоять-ковш

4 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В ЕЕ ЭЛЕМЕНТАХ

Рисунок 3 – Расчетная схема стрелы экскаватора

Рисунок 4 – Диаграмма: Осевая сила

Рисунок 5 - Диаграмма: Момент изгиба в плоскости XY

Рисунок 6 - Диаграмма: сила вдоль оси Y

Рисунок 7 - Диаграмма: сила вдоль оси Z

Рисунок 8 - Диаграмма: момент кручения

Рисунок 9 - Диаграмма: момент изгиба в плоскости XZ

Таблица 1. Перемещение узлов