Приближенная расчетная схема представлена на рис. 98. Отдельные элементы ковшей представлены в виде плоских рамных систем. При этом схема на рис. 98, а относится к цельнолитому ковшу. Если предположить, что жесткость задней стенки значительно больше жесткости передней и боковых стенок, то расчетную схему можно представить в виде трижды статически неопределимой рамы. Для ковша, у которого передняя и боковые стенки изготовлены из одного листа, расчетной схемой будет двухшарнирная арка. У тех ковшей, у которых передняя и задняя стенки соединены посередине боковой стенки, каждый ковш может рассчитываться как арка со свободным перемещением одной из ее опор. Определение нагрузок производится в двух расчетных положениях. Первое положение соответствует началу копания. Здесь на среднюю часть режущей кромки действуют максимальные напорное и подъемное усилия (рис. 99, а).

Второе расчетное положение соответствует концу копания. Здесь ковщ максимально выдвинут и перпендикулярно к его режущей кромке Действует сила Р0, представляющая собой реакцию при отрыве грунта (рис. 99, б). Эта сила может быть определена графически (рис. 99, в).

Рис. 99. Расчетные положения ковшей: а — первое расчетное положение; б — второе расчетное положение; в — определение усилий графическим методом
произведено из уравнения суммы моментов всех сил относительно шарнира или графическим методом.

Расчет рукоятей. Рукоять подвержена изгибу в вертикальной и горизонтальной плоскостях, кручению, сжатию и растяжению. Наиболее характерным является копание на уровне напорного вала (рис 100 а).

Рис. 100. Расчетная схема рукояти прямой лопаты

Здесь предполагается, что рукоять выдвинута так, что канаты подъема расположены вертикально, и усилие копания приложено к крайнему зубу ковша. Учитывается возможность случайного включения поворотного

механизма, в результате которого появляется горизонтальная сила К (рис. 100, г). Сила Р01 определяется по мощности двигателя. При этом, в случае многомоторного привода, учитывается коэффициент динамичности. Учитывается также возможность одновременного действия напорного усилия 5°.

Вторым расчетным случаем для рукояти прямой лопаты может служить период разгона или торможения механизма вращения с груженым ковшом при полном вылете рукояти. Здесь в горизонтальной плоскости действуют инерционные нагрузки, которые определяются по массам ковша с грунтом и рукояти. В результате в седловом подшипнике возникает реакция, по которой рукоять рассчитывается как консольная балка, заделанная одним концом.

Значение предела усталости при симметричном цикле для листовой стали с прокатной коркой a = 0,33.

Расчет рукояти обратной лопаты производится в основном по тому же методу. Опасными будут сечения n—п и т—т, т. е. места крепления ковша к рукояти и рукояти к стреле (рис. 101). Сечение п—п следует проверять на действие максимального тягового усилия ST max, которое соответствует тому моменту, когда тяговые канаты направлены по отношению к оси рукояти под углом у = 90°. Предполагается, что происходит отрыв препятствия при заторможенном барабане подъема. Усилия Р0 и К приложены эксцентрично к средней кромке крайнего зуба и вызывают дополнительные напряжения от кручения. Для сечения т—т опасным будет случай отрыва препятствия в момент, когда стрела и усилие в полиспасте направлены перпендикулярно к рукояти (а = р* «90°). Отрыв препятствия производится под действием максимального усилия в полиспасте подъема S тах и заторможенном тяговом канате. Учитывается также эксцентричное приложение сил Р0 и К. Кроме того, сечение т—т должно быть проверено на действие максимальных динамических нагрузок, возникающих при торможении поворотной платформы. При этом предполагается, что полностью нагруженный ковш находится в верхнем положении и угол между стрелой и рукоятью минимален. Усилия в тяговом и подъемном канатах определяются с учетом веса грунта и рабочего оборудования.

Расчет стрел. Стрелы универсальных и карьерных экскаваторов изготовляются преимущественно сварными из листовой стали; они могут быть цельно-стержневыми и шарнирносочле-ненными. Стрелы подвержены сжатию, изгибу и кручению. В вертикальной плоскости расчетная схема цельностержневой стрелы может быть представлена в виде двухопорной шарнирно закрепленной балки. Опорами служат нижний шарнир стрелы и крепление стрелового полиспаста.
Первым расчетным положением стрелы является случай отрыва препятствия при самом тяжелом сочетании действующих на стрелу нагрузок.

Второе расчетное положение соответствует копанию грунта на уровне напорного вала (рис. 102, б).. При этом предполагается, что рукоять занимает горизонтальное положение и полностью выдвинута, а канаты подъема перпендикулярны к оси стрелы. Стрела установлена под минимальным углом, а напорный механизм заторможен. Принимается, что действует максимальное усилие подъема Sn шах, а усилие реакции грунта Р0 и боковое усилие К приложены к крайнему зубу ковша, т. е. эксцентрично.

Реактивные силы Rx и Ru стрелы определяются из уравнения суммы проекций всех сил, действующих на стрелу по направлениям осей X и Y. Опасным сечением является сечение т—т.

Рис. 102. Расчетная схема стрел

В горизонтальной плоскости на стрелу действуют инерционные силы, возникающие при разгоне и торможении механизма поворота, а также ветровая нагрузка. Опасным сечением в этой плоскости является сечение у пяты стрелы.

Инерционные нагрузки определяются по массам ковша с грунтом, рукояти и самой стрелы, расстояниям центров тяжестей этих рабочих органов от оси вращения поворотной платформы и по величине углового ускорения.

При расчете на прочность стрелы обратной лопаты первым расчетным положением будет отрыв препятствия при копании в момент, когда рукоять перпендикулярна стреле. Второе расчетное положение соответствует моменту отрыва препятствия у бровки забоя. В горизонтальной плоскости стрела рассчитывается в предположении разгона и торможения механизма поворота платформы с полностью нагруженным или разгруженным ковшом, но при максимальном вылете рукояти.

Стрелы экскаваторов, так же как и рукояти, должны проверяться на выносливость. Такая проверка проводится для тех же опасных сечений, которые рассчитывались на прочность с учетом максимального значения коэффициента концентрации напряжений и коэффициентов асимметрии цикла.

Коэффициент запаса в формуле (III.48) принимается таким же, как и в случае рукоятей. Стрелы драглайнов могут быть решетчатыми, состоящими из трех или четырех плоских ферм, и Байтовыми — с одним жестким центральным поясом. При расчете могут быть рассмотрены следующие расчетные положения:
1. Производится отрыв груженого ковша с подхватом, при этом стрела наклонена под минимальным углом к горизонту, а ковш расположен на расстоянии, равном 3/4 от его возможного (максимального) вылета; коэффициент динамичности, развивающийся за счет несколько ослабленных канатов, принимается равным 1,3; в горизонтальной плоскости действуют инерционные силы от разгона поворотной платформы.
2. Ковш подтянут к голове стрелы и начинается торможение поворотной платформы.

В обоих случаях на стрелу действуют следующие нагрузки: собственный вес стрелы gc, который принимается сосредоточенным или распределенным подлине стрелы, вес ковша с грунтом, усилия в канатах подъема стрелы, а также инерционные силы, вызванные началом поворота или торможения поворотной платформы. Учитывается также и ветровая нагрузка. При расчетах стрел на прочность следует учесть еще так называемые случайные и аварийные нагрузки. К случайной нагрузке может быть отнесено внезапное натяжение подъемного каната, вызванное падением груженого ковша с бровки забоя. Аварийные нагрузки возникают при «переподъеме» ковша из-за несвоевременного выключения подъемного механизма.

После проверки или выбора необходимых размеров отдельных сечений стрелы производится проверка ее общей устойчивости при действии сжимающих сил. В вертикальной плоскости стрела при этом рассматривается как шарнирно закрепленный стержень, а в горизонтальной — как консольный стержень с одним заделанным, а другим свободным концом. При расчете устойчивости стрела рассматривается как составной стержень. Расчет производится по приведенной гибкости с учетом изменения сечения по длине стрелы.

Расчет двуногой стойки производится при положении рабочего оборудования, соответствующего максимальному усилию в полиспасте подъема стрелы. При оборудовании прямой лопатой расчетным является случай,. представленный на рис. 103, в. При этом учитывается динамический характер нагрузки. Усилия, действующие в стойках двуноги, можно определить графически. При проектировании определяется оптимальная высота двуногой стойки. При увеличении ее высоты усилие в полиспасте подъема стрелы уменьшается, но вместе с тем возрастают габариты высоты машины, что ухудшает ее транспортабельность. Смещение головы стойки вперед уменьшает угол между осью стрелы и подвеской, а следовательно, увеличивает нагрузки на стрелу и двуногую стойку. Эти положения следует учитывать при проектировании. Для того чтобы увеличить высоту двуноги и вписаться в железнодорожный габарит высоты, применяют составные или складные стойки.

Рис. 103. Расчет двуногой стойки и поворотной платформы

Расчет поворотной платформы. На поворотной платформе смонтировано силовое оборудование и все основные механизмы экскаватора. Кроме того, на ней закреплена пята стрелы и размещен противовес. Платформа может быть изготовлена литой, сварной или комбинированной. На экскаваторах малой мощности часто применяются поворотные платформы балочной конструкции. Они состоят из двух основных продольных балок, связанных поперечными балками. На экскаваторах малой и средней мощности применяются цельносварные или цельнолитые поворотные платформы, а на экскаваторах большой мощности поворотные платформы делаются комбинированными, состоящими из литой или сварной средней части и сварных боковых балок, присоединенных к ней с помощью сварки или болтов. Поворотная платформа относится к наиболее нагруженным элементам экскаватора. На нее кроме собственного веса действуют усилия в канатах подъема и тяги, реактивные силы в пяте стрелы, инерционные силы, возникающие при вращении платформы, и ветровая нагрузка. Действующие на платформу нагрузки являются динамическими, поэтому при расчете вводится коэффициент динамичности. Поворотная платформа должна быть не только прочной, но и жесткой.

В конструкциях без центральной цапфы горизонтальные силы создают дополнительный опрокидывающий момент и увеличивают реактивные силы на опорах Rn, к и R3 к. Точный расчет поворотной платформы весьма сложен, поэтому обычно ее рассчитывают как систему перекрестных балок, т. е. предполагают, что она состоит из ряда продольных и поперечных балок, шарнирно уложенных друг на друга (рис. 103, г). Расчет производится по методу сил в предположении равенства перемещений в точке пересечения продольных и поперечных балок в направлении, перпендикулярном плоскости рамы. При ориентировочном определении размеров поворотной платформы ее можно рассматривать как балку, работающую на изгиб под действием вертикальной нагрузки с опасным сечением под передними или задними катками. Для платформы балочной конструкции в расчетное сечение вводят только продольные балки. При этом запасы прочности должны быть увеличены.

Расчет нижней рамы. Нижняя рама служит опорой для поворотной платформы и потому воспринимает от нее нагрузки. Для экскаваторов малой и средней мощности нижние рамы изготовляются чаще всего литыми.

В случае экскаваторов большой мощности нижние рамы изготовляются сварными. Монтажные соединения выполнены с применением высокопрочных болтов. Рамы изготовляются из радиальных и кольцевых балок коробчатого сечения и обладают большой жесткостью. Расчет их производится методами строительной механики. При этом они рассматриваются как пространственные внутренне статически неопределимые системы.