Đồ án Thiết kế máy san đất - Tính toán thiết kế máy san loại 1×2×3 có trọng lượng 14 tấn

óc ma sát ngoài của đất, tg= - Hệ số ma sát giữa đất và thép, thường =0,40,8 - Góc quay của bàn san trong mặt phẳng ngang, cũng chính là góc nghiêng của bàn san trong mặt phẳng ngang so cới trục dọc của máy, tại vị trí này lấy = 3035 Lực quán tính được xác định theo công thức: Pq = Trong đó: - Hệ số bám lớn nhất, thường = 0,7 – 0,8 - Hệ số tải trọng động, ở vị trí này lấy = 1,15 1,20 Pq = 0,8 . 9865 . (1,2 – 1) = 1578,4 kG = 15,784 kN Vậy ta có: Rx = -7,892 + 44,3925 + 15,784 = 52,28 kN Ry = 55,28.cotg(30+35) = 25,77 kN Phản lực Rz theo phương thẳng đứng tại mép dao cắt được xác định dựa vào phương trình cân bằng mômen với trục Y: Suy ra: Trong đó: c- Là khoảng cách từ khớp liên kết giữa khung chính và cầu trước đến mặt đất, c =(0,850,95)2rc , lấy c = 0,9 . 1 = 0,9 m d= 5,915-4,86 =1,05m Xác định phản lực tại khớp O liên kết giữa khung chính và cầu trước + Phản lực theo phương ngang: X = Rx = 52,28 kN + Phản lực theo phương đứng Z: Ta lập phương trình cân bằng mômen với điểm O1 ( tại O1 lắp cần pittông của xi lach thủy lực nâng hạ khung kéo và bàn san) Theo kinh nghiệm thì: l = (0,6 0,75)L, Lấy l = 0,7 . 3,668 = 2,511m + Phản lực bên Y: Ta lập phương trình cân bằng mômen của các lực với điểm O2 - Đó là hình chiếu của điểm O1 xuống mặt phẳng ngang b) Xác định các giá trị nội lực tại tiết diện nguy hiểm E-E của khung chính Sau khi xác định được các phản lực X, Y, Z tại khớp O, ta sẽ xác định được nội lực tại tiết diện E – E của khung chính: Chọn mặt cắt khung chính như hình vẽ trên với b =300 mm, h =350 mm, , như hình vẽ trên. Trong đó: b, h – Chiều rộng và chiều cao của tiết diện tại mặt cắt E – E - Chiều dày thành đứng của tiết diện - Chiều dày thành ngang của tiết diện + Mômen uốn trong mặt phẳng thẳng đứng (Mặt phẳng XOZ): Mz = X.(h’ - c) – Z.l Mz = 52,28.(1,7 – 0,9) – 13,04 . 2,511 =9,08 kNm=908000 N.cm + Mômen uốn trong mặt phẳng ngang (Mặt phẳng XOY): My = Y.l My = 37,01. 2,511 = 92,93kNm =9293000 N.cm + Mômen xoắn: Mx = Ry.h + Rz.b/2 Mx = 25,77 . 1,7 + 54,634 . 2,115/2 = 101,58 kNm =10158000 N.cm + Lực nén khung: N = X = 52,28 kN=52280 N c) Xác định ứng suất và kiểm tra sức bền cho khung chính Ứng suất pháp do các mômen uốn trong mặt phẳng đứng và mômen uốn trong mặt phẳng ngang cùng lực nén khung gây ra được xác định theo công thức: Ứng suất tiếp do mômen xoắn gây ra: Khung chính có tiết diện ngang là hình hộp chữ nhật. Tại tiêt diện nguy hiểm E – E mômen chống uốn và mômen chống xoắn được xác định theo các công thức sa đây: Thay các giá trị vào ta được: Vậy ta có: Chọn vật liệu chế tạo khung chính là thép CT3 có Vậy khung chính thỏa mãn bền. 3.4.2 Vị trí tính toán thứ hai: Điều kiện tính toán như sau: Máy san đang tiến hành cắt đất, dao cắt gặp chướng ngại vật không thể vượt qua được. Do đó dao cắt được nâng lên trên mặt nền đất để thoát khỏi chướng ngại vật và hầu như không cắt đất. Tuy nhiên bàn san vẫn chịu tải trọng động ngẫu nhiên do chướng ngại vật gây ra. Vân tốc di chuyển của máy khi làm việc tại thời điểm dao cắt gặp chướng ngại vật thường bằng 4 - 5 km/h. Bàn san được đặt nghiêng so với trục dọc của máy góc . Các bánh xe chủ động bị quay trơn (hình 3.9) hình 3.9 Sơ đồ lực tác dụng lên máy san ở vị trí tính toán thứ 2, Khi dao cắt gặp chướng ngại vật a) Xác định các lực tác dụng lên khung ở vị trí thứ hai: Những ngoại lực đã biết gồm: + Trọng lượng máy G = 14093 kG + Trọng lượng phân bố trên trục bị động G1 = 4228 kG và trên trục chủ động G2 = 9865 kG + Tải trọng động do chướng ngại vật gây ra Pj được xác định theo công thức: (N) Trong đó: v- Vận tốc của máy tại thời điểm dao cắt gặp chướng ngại vật. Vận tốc này có đơn vị là cm/s, v= 1,0m/s c - Độ cứng tổng hợp của máy san, c = 56,5 N/mm Xác định các phản lực tại dao cắt” + Phản lực theo phương thẳng đứng: Theo giả thiết thì để thoát khỏi chướng ngại vật nên dao cắt có xu hướng nâng lên trên mặt đất và hầu như không tham gia cắt đất, do đó phản lực Rz theo phương thẳng đứng tác dụng lên dao cắt có thể bỏ qua Rz = 0 Phản lực theo phương ngang: Rx = X12 + Pj –F12 – F’ Trong đó: F12 – lực cản lăn tại các bánh xe chủ động phía sau F’ – Lực cản lăn tại các bánh xe chủ động phía trước Các lực này được xác định theo công thức” F12 = f.G2 = 0,08 . 9865 = 789,2 kG = 7,892 kN F’ = f.G1 = 0,08 . 4228= 338,2kG = 3,382 kN f – Hệ số cản lăn tại các bánh xe X12 = Pb = = 0,45 . 9865 = 4439,25 kG = 44,3925 kN Suy ra: Rx = 44,3925 + 89,233–7,892 – 3,382 =122,35 kN + Phản lực bên có phương vuông góc với trục dọc của máy: Ry = Rxcotg( Với và tg= - Góc ma sát giữa đất và thép Ry = 122,35cotg(25) = 10,7 kN Xác định các phản lực tại khớp liên kết giữa khung chính và cầu trước (điểm O) Cũng tương tự như vị trí thứ nhất, ở đây vẫn có 3 phản lực theo 3 phương: + Theo phương trục X: X = Rx = 122,35 kN + Theo phương trục Y: + Theo phương trục Z: b )Xác định nội lực trong khung tại tiết diện E – E: Sau khi xác định được các phản lực X, Y, Z tại khớp O, ta sẽ xác định được nội lực tại tiết diện E – E của khung chính: Chọn mặt cắt khung chính như hình vẽ trên với b =300 mm, h =350 mm, , như hình vẽ trên. + Mômen uốn trong mặt phẳng thẳng đứng (Mặt phẳng XOZ): Mz = X.(h’ - c) = Rx(h’ – c) Mz = 122,35.(1,7– 0,9) = 97,88 kNm =9788000 N.cm + Mômen uốn trong mặt phẳng ngang (Mặt phẳng XOY): My = Y.l = Rx.b/2 + Ry(l - d) My =122,35. 2,115/2 + 10,07(2,511 – 1,05) = 144,09 kNm =14409000 N.cm + Mômen xoắn: Mx = Ry.h’ Mx = 10,07. 1,7 = 17,119 kNm =1711900 N.cm + Lực nén khung: N = X = Rx = 122,35 kN=122350 N c) Xác định ứng suất và kiểm tra sức bền cho khung chính Ứng suất pháp do các mômen uốn trong mặt phẳng đứng và mômen uốn trong mặt phẳng ngang cùng lực nén khung gây ra được xác định theo công thức: Ứng suất tiếp do mômen xoắn gây ra: Khung chính có tiết diện ngang là hình hộp chữ nhật. Tại tiết diện nguy hiểm E – E mômen chống uốn và mômen chống xoắn được xác định theo các công thức sau đây: Thay các giá trị vào ta được: Vậy ta có: Chọn vật liệu chế tạo khung chính là thép CT3 có Vậy khung chính của máy san thỏa mãn bền. 3.5 Các lực tác dụng lên khung treo bàn san ( khung kéo ): Khung treo bàn san hay còn gọi là khung kéo được tính toán ở vị trí tính toán thứ nhất, điều kiện tính toán như sau: Trong quá trình cắt đất, dao cắt của bàn san gặp lớp đất trên bề mặt quá cứng, máy san phải cung cấp công suất lớn cho cơ cấu hạ bàn san để ấn sâu dao cắt vào trong đất. Trong trường hợp này bàn san trở thành điểm tựa chủ yếu của máy trên nền đất và chịu phần lớn tải trọng của máy, Làm cho bánh xe chủ động bị quay trơn ( hình 3.10 ). Các phản lực của đất tác dụng lên dao cắt và các bánh xe của máy san gồm có các thành phần sau: + Dao cắt tiến hành cắt đất tại điểm ở mép ngoài cùng của dao cắt, đó là điểm O. Tại đó phản lực của đất tác dụng lên dao cắt được phân thành 3 thành phần: Rx theo phương ngang Rz theo phương thẳng đứng Ry cùng nằm trong mặt phẳng với Rx và có phương vuông góc với Rx + Trục O1 – O2 là hình chiếu của trục balăng cân bằng xuống mặt đất. Các lực Z1, Z2 là phản lực thẳng đứng của đất tác dụng lên các bánh xe chủ động và được quy về trục O1, O2. Còn các lực X1, X2 là lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động. + Điểm O3 và O4 là điểm tiếp xúc giữa các bánh xe bị động phía trước với mặt đất. Tại đó có các phản lực Z3, Z4, X3, X4. Trên các trục O1 – O2 và O3-O4 còn có các phản lực bên của đất tác dụng là Y1, Y2. Trọng lượng máy san tập trung tại trọng tâm của máy. Hợp lực của các lực quán tính cũng đặt tại trọng tâm của máy. Dựa vào sơ đồ tác dụng lên dao cắt ( hình 3.10 ), ta có thể xác định được các phản lực tác dụng lên dao cắt của bàn san như sau: Hình 3.10 a) Sơ đồ lực tác dụng lên máy san Hình 3.10 Sơ đồ lực để tính toán khung kéo b) Sơ đồ lực tác dụng lên bàn san Để tính toán cho máy san có công thức trục ta tính cho trạng thái giới hạn thứ hai, tức là trạng thái có các điều kiện sau: Bàn san được đưa hết mức sang bên cạnh máy đến giới hạn lớn nhất. Bàn san tiến hành cắt đất bằng dao cạnh, tại mép ngoài cùng của dao cắt, tức là tại điểm O. Điểm O cách đường thẳng đi qua tâm của các bánh xe chủ động phía sau một đoạn là a ( xem hình 3.9 ) Dao cắt gặp chướng ngại vật trong khi cắt đất, gây ra tải trọng động Pj tác động lên khung kéo. Bàn san đặt nghiêng so với trục dọc của máy trong mặt phẳng ngang một góc Trong trường hợp này các phản lực của đất Rz, Rx, Ry tác dụng lên dao cắt được xác định bằng các công thức sau: Pj =(1,2 – 1).0,8.9865 = 1578 kG = 15,78 kN Trong đó: G- Khối lượng máy san hệ số bám lớn nhất bánh xe chủ động hệ số ma sát giữa đất và thép.chọn Phản lực theo phương ngang được xác định hteo công thức: Phản lực bên được xác định theo công thức : Sau khi xác định được các phản lực Rz, Rx, Ry ta sẽ xác định được các phản lực Z4, Y4, X4 tại khớp cầu O4 liên kết giữa khung kéo và khung chính theo các công thức: 127,41 kN Các kích thước m, n, b xem hình 3.7 3.6 Tính sức bền khung treo bàn san ( khung kéo ): Hình 3.11 Sơ đồ tính sức bền khung kéo Xác định nội lực trong khung kéo tại tiết diên A –A: + Mômen uốn khung kéo trong mặt phẳng đứng XOZ được xác định theo công thức: Mz = Z4. l + X4. a Mz = 17,27. 2,115 + 127,41. 0,05 = 49,3 kN.m Với l = 2,511 m; a = 0,1 m Biểu đồ momen trong mặt phẳng XOZ + Mômen uốn khung kéo trong mặt phẳng ngang XOY được xác định theo công thức: My = Y4. l = 15,74. 2,511 = 39,52 kN.m Biểu đồ momen uốn trong mặt phẳng XOY + Lực nén khung: N = X4/2cos = 127/2cos30 0 =73,3 kN Trong đó: - Là góc tạo bởi đường tâm của dầm bên và trục dọc của khung kéo, thông thường = Kiểm tra sức bền khung kéo: Khung kéo vừa chịu uốn trong hai mặt phẳng, vừa chịu nén. Do đó nó được kiểm tra sức bền theo công thức: Dầm bên của khung kéo có tiêt diện ngang là hình hộp chữ nhật có b=200mm, h=250mm, Trong đó: Các mômen chống uốn Wz, Wy được xác định theo các công thức sau: Vậy khung kéo thỏa mãn bền 3.7 Tính sức bền bàn san: Bàn san được tính sức bền tại vị trí tính toán thứ hai, gồm có các điều kiện tính toán sau: Bàn san được đặt nghiêng so với trục dọc của máy góc Bàn san được đưa( hết cỡ) sang bên cạnh máy với giới hạn tối đa Bàn san tiến hành cắt đất bằng dao cạnh, tại mép ngoài cùng của dao( tại điểm O). Điểm O cách đường thẳng đi qua tâm hai bánh xe chủ động cùng phía bên phải( hoặc bên trái) một khoảng là a( xem hình 3.6 ) Dao cắt gặp chướng ngại vật trong khi cắt đất, làm cho bàn san có xu hướng bị nâng lên khỏi mặt nền đất. Tuy nhiên bàn san vẫn chịu tải trọng động do chướng ngại vật gây ra Nhìn vào sơ đồ cấu tạo khung kéo - bàn san và cơ cấu quay bàn san trong mặt phẳng ngang, từ sơ đồ kết cấu của bàn san có thể cho phép chuyển thành sơ đồ tính sức bền bàn san khi xem bàn san như một dầm nằm trong mặt phẳng đứng chứa hai điểm O1 và O2. Nghĩa là khi chịu các phản lực đất tác dụng trong mặt phẳng ngang Rx và Ry thì có thể coi bàn san như một dầm được gối lên hai điểm O1 và O2 và có côngxon ở hai đầu( xem hình 3.12 ) a) Hình 3.12 Sơ đồ tính sức bền bàn san Theo như điều kiện tính toán, các phản lực Rx, Ry, Rz của đất đặt tại mép ngoài cùng của dao cắt, trong đó phản lực Rz theo phương thẳng đứng. Như đã phân tích ở trên, ảnh hưởng của phản lực Rz đến độ cong của bàn san và sức bền của bàn san là không đáng kể nên có thể bỏ qua. Chỉ có các lực Rx và Ry là có ảnh hưởng lớn đến độ cong và sức bền của bàn san. Ta kí hiệu P1 là hợp lực của Rx và Ry. Lực P1 được đặt tại mép ngoài cùng của bàn san, nghĩa là P1 đặt tại đầu mút côngxon của dầm và có phương vuông góc với trục dầm. Lực P1 là tổng hợp của véc tơ Rx và Ry: Giá trị của lực P1 được xác định theo công thức: Trong đó: Rx, Ry được xác định từ vị trí tính toán thứ hai (xem hình 3.6) theo các công thức: Rx = X1 + X2 + Pj Ry = Y2 – Y1 Vậy ta sẽ có: Dưới tác dụng của lực P1, tại mặt cắt A – A của bàn san đi qua gối đỡ O2 sẽ xuất hiện mômen uốn lớn nhất. Mômen này được xác định theo công thức: M = P1 .l = 234,4 .100 = 23440 kNcm = Với l = 1 m=100 cm Để kiểm tra sức bền cho bàn san, ta cần phải xác định ứng suất do mômen M gây ra tại mặt cắt A – A. Kí hiệu trục trung tâm của mặt cắt A - A là trục Z – Z. Có thể xem rằng lực P1 có phương theo phương rục X – X. Dưới tác dụng của lực P1, phần bên phải của trục Z – Z, tiết diện ngang của bàn san sẽ chịu kéo. Còn phần bên trái, tiết diện này sẽ chịu nén Vị trí trục trung tâm Z – Z của mặt cắt A – A được xác đinh bằng các khoảng cách a và b từ trục Z- Z đêns các điểm ngoài biên của mặt cắt (xem hình3.11) Các khoảng cách đó được xác định theo các công thức sau đây: Trong đó: Ro – Bán kính cong trung bình của bàn san, Ro = 475 mm - Một nửa góc ở tâm của mặt cắt A – A: rad Mômen quán tính của tiết diện tại mặt cắt A – A được xác định theo công thức: h – Chiều dày của tiết diện tại mặt cắt A – A, h = 20 mm Mômen chống uốn của vùng chịu kéo là: Mômen chống uốn của vùng chịu nén là: Kiểm tra sức bền bàn san dựa vào ứng suất tại mặt cắt A – A: Ứng suất tại vùng chịu kéo của mặt cắt A – A: Ứng suất tại vùng chịu nén của mặt cắt A – A: Bàn san được chế tạo từ thép CT3 có: Vậy bàn san thỏa mãn bền 3.8 Ổn định ngang của máy san Ổn định ngang của máy san được tính trong hai trường hợp: Máy san đang làm việc trên mặt nền đất nghiêng ngang Máy san di chuyển không tải trên mặt đường nghiêng ngang 3.8.1 Tính ổng định ngang của máy san khi làm việc Ổn định ngang của máy san được tính trong trường hợp máy san đang làm việc trên mặt phẳng nghiêng ngang, bàn san được đưa hết mức sang bên cạnh máy và được đặt nghiêng về phía trước so với trục dọc của máy góc , đồng thời bàn san đang tiến hành cắt đất bằng mép ngoài cùng của dao cắt về một phía của máy san. Khi đó tại dao cắt có 3 thành phần của đất tác dụng: + Phản lực theo phương thẳng đứng = 53,566 kN ( đã tính phần trước theo công thức: Rz = ) + Phản lực trong mặt phẳng ngang theo phương trục dọc của máy =83,208 kN ( đã tính ở phần trước theo công thức: Rx = X1+ X2 +Pj ) + Phản lực trong mặt phẳng ngang theo phương vuông góc với trục dọc của máy = 19,976 kN (đã tính theo công thức Ry =Y1+Y2+Y3- Gsin) Hợp lực của và là . Để ổn định ngang của máy san được đảm bảo nếu sự phân bố tải trọng trên các trục của máy thỏa mãn điều kiện: < Trong đó: - tổng hình học của các phản lực ngang của đất và . Vì và có phương vuông góc với nhau nên tổng đại số của chúng được xác định theo công thức: = - Tổng hình học của lực cản lăn trên các bánh xe bị động phía trước và lực bám trên các bánh xe chủ động phía sau ( xem hình 3.17) Tổng đại số của các lực bám được xác định trheo công thức: 0,5.(140,93 +53,566) = 97,24 kN Vậy < ( thỏa mãn ) Hình 3.17 Sơ đồ tính ổn định ngang của máy san Mômen làm cho máy bị mất ổn định ngang quanh điểm lật tại mép ngoài của các bánh xe chủ động nằm ở phía dưới mặt nghiêng (điểm O) là do các phản lực ngang của đất tác dụng lên dao cắt , và Gsin gây ra ( hình 3.18). Mômen này được xác định theo công thức: Mômen giữ ổn định n