Расчёт объёмного гидропривода экскаватора
ВВЕДЕНИЕ
Основным типом машин для производства земляных работ и перемещению грузов являются одноковшовые экскаваторы и краны с гидравлическим приводом. По сравнению с канатным приводом они имеют ряд преимуществ конструктивного, технологического и экономического характера.
С конструктивной точки зрения гидропривод позволяет реализовать большие передаточные числа от ведущего звена источника энергии к рабочим механизмам и органам машин без применения громоздких и сложных по кинематике устройств; обеспечить простое преобразование вращательного движения в поступательное; иметь независимое расположение источника энергии и рабочих механизмов, а также осуществлять удобное и независимое регулирование скоростей рабочих движений в широком диапазоне.
С технологической точки зрения улучшаются условия заполнения ковша при копании на большой глубине за счёт возможности реализовать большие усилия копания, а также за счет поворота ковша относительно рукояти в конце процесса копания. Это способствует повышению производительности экскаватора.
Экономические преимущества являются следствием конструктивных и технологических преимуществ, которые позволяют в конечном итоге повысить темпы строительных и других видов работ и снизить стоимость разработки грунта или перемещения груза.
Указанные преимущества гидравлического привода обусловили широкое его распространение в машинах различного назначения, и в первую очередь, в землеройных. Поэтому успешная эксплуатация таких машин требует достаточно высокого уровня подготовки по гидравлическим приводам. Этой цели и служит предусмотренная учебным планом курсовая работа по проектированию гидравлической системы одноковшового экскаватора.
Исходные данные: q = 0,7м3;
Рабочее оборудование - обратная лопата.
1.Выбор гидравлической схемы и ее описание
Применяемые схемы подразделяются на одно- и многопоточные. Однопоточные схемы находят применение только на неполноповоротных экскаваторах вместимостью ковша до 0,3 м3.
С целью сокращения продолжител
Схемой предусматривается
В состав её входят два насоса 1 и 13, два гидрораспределительных блока 17 и 20, гидрораспределители поворота грейфера P8 и следящей системы поворота колес 12, гидромоторы поворота платформы 3 и передвижения экскава-
тора 6, а также гидроцилиндры: рукояти 5, стрелы 7, ковша обратной лопаты 8, поворота грейфера 9 и поворота колес 10. Помимо указанных имеются также не показанные на схеме гидроцилиндры ковша погрузчика и гидроцилиндр челюстей грейфера.
Основные механизмы приводятся в движение от двухсекционного автоматически совместно регулируемого аксиально-поршневого насоса 1. Второй насос 13 (шестеренный, нерегулируемый) используется для питания гидроцилиндров поворота грейфера 9 и поворота колес 10.
От секций А и Б насоса 1 рабочая
жидкость параллельными
Включение в действие того
или иного механизма
Полный поток может подаваться также и в гидроцилиндр рукояти при приведении его в действие от гидрораспределительной секции P7. Но при необходимости совмещения операций он может быть включен и через золотник секции PЗ. В этом случае потоки разъединяются и это дает возможность совмещать движение рукояти (гидроцилиндр 5) с движением стрелы (гидроцилиндр 7) или же ковша обратной лопаты (гидроцилиндр 8).
При работе с грейфером рабочие гидролинии 4 резервной секции P2 используются для управления гидроцилиндром подъема (опускания) верхней части составной стрелы, секция P6 – для управления гидроцилиндром челюстей грейфера, а гидрораспределитель 11 – для управления гидроцилиндром поворота грейфера 9.
Слив рабочей жидкости в бак от всех гидродвигателей производится через золотник 18. С помощью этого золотника поток может направляться либо в охладитель 15, если в этом имеется надобность, либо минуя его на параллельно установленные фильтры 14. При их засорении поток может перепускаться через предохранительные клапаны в бак мимо фильтров.
Число
фильтров, установленных в сливной
линии, определяется необходимо
Напорные гидролинии обеих
В рабочих гидролиниях
жат для защиты по допускаемому давлению. Через вторые может осуществляться подпитка или же перепуск рабочей жидкости из одной гидролинии в другую при срабатывании предохранительного клапана.
Для контроля настройки предохранительных клапанов в напорных гидролиниях установлен манометр 2, который поочередно может подключаться к напорным линиям секций А и Б насоса 1 и насоса 13. В сливной гидролинии давление может контролироваться с помощью манометра 19.
2. Определение мощности первичного двигателя
Мощность первичного двигателя
определяется из условия
Максимальная
Принимаем tк = 5,7 с.
Параметры определяющие
энергоемкость копания,
Мощность
двигателя из условия
Ne = (1000Aудqкн)/(tкηсум квых кр кн) =
= (2,3∙105∙0,7∙10-3)/(5,7∙0,55∙
Радиус ковша
или
где bк - ширина режущей кромки ковша,
bк =1,5∙q1/3 - 0,26 =1,5∙0,71/3 - 0,26 =1,07 м.
Принимаем bк = 1,0 м, Rк = 1,2 м.
Максимальная сила копания
Рmax = 0,95Ауд ·q/Rк = 0,95∙2,3∙105∙0,7/1,2 = 127458,3 Н.
Масса экскаватора
m = Рmах/(μg) = 127458,3/(0,7∙9,81) = 18,56 т.
Принимаем двигатель А–41, для него: Nе = 66 кВт и nд = 1750 об/мин.
3. Определение параметров насосной установки
Принимаем: рн = 20 МПа; ηн = 0,85; ηп.н = 0,9; рmах = 32 МПа;
рmax p =0,9∙32 = 29МПа; диапазон регулирования n = 2,0.
Подача насосной установки:
– при насосах постоянной подачи:
Qн= (60Neηп.н.ηн)/рн = (60∙66∙0,9∙0,85)/20 = 151,5 л/мин;
– при насосах переменной подачи:
Qн = (60nNe ηп.н.ηн)/рmах р = (60∙2∙66∙0,9∙0,85)/29 = 209 л/мин.
Принимаем регулируемый сдвоенный аксиально-поршневой насос типа 313.3.160. Для него Q = 182 л/мин; рн = 20 МПа; рmах = 35 МПа;
nн = 1200 об/мин.
Присоединение насоса к
4. Определение геометрических размеров рабочего оборудования
Полубаза экскаватора:
В = 0,55·m1/3 = 0,55·(18,56)1/3 = 1,46 м.
Конструктивные размеры:
1р = 1,5·1,46 = 2,2 м; I1 = 1,5·1,46 = 2,19 м;
1с = 1,64·1,46 = 2,4 м; I2 = 2,32·1,46 = 3,39 м;
Rк = 0,89·1,46 = 1,3 м; Iк = 0,49·1,46 = 0,72 м;
уо = 1,22·1,46 = 1,78 м; I3 = 0,24·1,46 = 0,35 м;
хо = 0,32·1,46 = 0,47 м; I4 = 0,35·1,46 = 0,51 м;
yс = 0,93·1,46 = 1,36м; I5 = 0,35·1,46 = 0,51м;
xс = 0,67·1,46 = 0,98 м; I6 = 0,27·1,46 = 0,39 м;
Δ = 23.
5. Определение энергоёмкости операций и подбор силовых гидроцилиндров
5.1 Копание поворотом рукояти
Длина рабочего хода поршня гидроцилиндра рукояти
xр = 1к = 0,72 м;
Принимаем: vшт = 0,2 м/с; ψ = 1,65.
Минимальное время копания
tmin = (ψ xр)/vшт = (1,65 ∙ 0,72)/0,2 = 5,94 с.
Работа копания поворотом
Ар = Ауд(кн/кр)q = 240∙0,7 = 168 кН∙м.
Расчётное давление в гидросистеме
ррасч = рmах/n = 35/2 = 17,5 МПа.
Площадь поршневой полости
F1 = Ap/(pрасчxpηр.о) = 168∙103/(17,5∙106∙0,72∙0,85) = 0,0157 м2.
Диаметр цилиндра
Полный ход поршня
xп = 2·lкsin(φp/2) = 2∙0,72∙sin(100/2) = 1,1 м.
Принимаем гидроцилиндр 1.2 – 140x1250.
5.2 Копание поворотом ковша
Работа копания
Ак = к·Ауд(кн/кр)q =1,3· 260∙0,7 = 236,6 кН∙м.
Максимальное усилие копания
Рmax =0,95Аудq/Rк = 0,95∙ 260∙0,7/1,3 = 133 кН.
Расчетное давление в
ррасч. = 17,5 МПа.
Необходимый рабочий объем
W = Aк/(ррасчηп. к) = 236,6∙103/(17,5∙106∙0,88) = 0,0154 м3.
Полный угол поворота ковша
αк = 175°.
Угол поворота звена l4
α4 = αк (l6/l4) = 175·(0,39/0,51) = 133,8°.
Ход поршня
хп = 2l4sin(α4/2) = 2∙0,51∙sin (133,8/2) = 0,94 м.
Принимаем гидроцилиндр
Рабочий объем цилиндра при принятых значениях Dц и xп
W' = πDц2xп/4 = 3,14∙0,142∙1/4= 0,0398 м2.
Сравнивая со значением W имеем:0,0154 = 0,0154
Скорость движения штока при номинальной подаче
vшт = (4·Q)/(π·Dц2) = (4∙182∙10-3/(60∙3,14∙0,142) = 0,197 м/с.
Угол поворота ковша
αк = 175/57,3 = 3,05 рад.
Время перемещения штока
tшт = xп/vшт = 1/0,197 = 5,08 с.
Угловая скорость
ω = αк/tшт = 3,05/5,08 = 0,6 с-1.
6. Подъём рабочего оборудования
Работа, затрачиваемая на подъём рабочего оборудования
Ас = 380·103 Н∙м.
Принимаем z=2, ррасч = 35/2 = 17,5 МПа, ηс.м = 0,8.
Рабочий объем гидроцилиндров подъема стрелы
W = Ас/(ррасчzηc.м) = 380000/(17,5∙2∙0,8∙106) = 0,0136 м3.
Из расчета геометрических размеров рабочего оборудования имеем: хс= 0,98 м;
ус=1,36 м; хо= 0,47 м; уо=1,78 м; ОА = l1 = 2,19 м;
Углы поворота стрелы от горизонтального положения принимаем: .
Параметры, определяющие величину хода поршня подъема стрелы:
Ход поршня подъема стрелы
xс = А’С – АС = 2,47 – 1,55 = 0,92м.
Диаметр цилиндра подъема стрелы
Принимаем гидроцилиндр d x S = 140x1000 по ГОСТ 6540 – 68
7. Расчёт параметров механизма поворота
Гидрокинематическая схема механизма поворота показана на рисунке 2. Она включает в себя гидропривод и механическую передачу. В состав последней входят: редуктор 1 и открытая зубчатая передача 2 – 3.
Согласно принципиальной схеме гидропривода экскаватора (рисунок 1) гидромотор механизма поворота может питаться только от секции А насоса1.
Исходные данные: подача насоса Qн. max = 78,1 л/мин; номинальное давление насоса Рн = 20 МПа; угол поворота платформы φ0 = 900;диапазон регулированния насоса
n' = 2.
Момент инерции платформы
I = 1000·m5/3 = 1000∙18,565/3 = 130105,8 Н∙м∙с2.
Момент сцепления ходовой части с грунтом
Мсц = 1850·m4/3 = 1850∙18,564/3 = 90909,5 Н∙м.
Допустимый тормозной момент
Мт = (0,7 ... 0,85)Мсц = 0,7∙90909,5 = 63636,7 Н∙м.
Принимаем коэффициент
Мр = r·Мт = 0,6∙63636,7 = 38182 Н∙м.
Допустимые ускорения:
– при разгоне εр = Мр/I = 38182/130105,8 = 0,29 с-2;
– при торможении |εт| = Мт/I = 63636,7 /130105,8 = 0,49 c-2.
Скорость вращения платформы в конце разгона
Время разгона и торможения
tp = ωп/εр = 0,76/0,29 = 2,62 с;
tт = ωп/εт = 0,76/0,49 = 1,55 с.
Время включения и выключения tвв = 0,35 ... 0,4 с. Принимаем tвв = 0,4 с. Время поворота
tп = tp + tт + tвв = 2,62 + 1,55 + 0,4 = 4,57 с.
Потребная мощность гидромотора
Nгм = (Мрωп)/(1000ηг-пn') = (38182∙0,76)/(1000∙0,9∙2) = 16 кВт,
где ηг-п – КПД передач от вала гидромотора до поворотного круга.
Мощность,
забираемая от первичного
Nгм = (Мрωп)/(1000·ηсn') = (38182∙0,76)/(1000∙0,78∙2) = 18,6 кВт,
где ηс = ηгмηмп – суммарный кпд механизма поворота, включающий гидромеханический КПД гидромотора ηгм и КПД механических передач от вала гидромотора до поворотного круга ηг-п.
По величине потребной
номинальный расход – 56,8 л/мин; номинальная эффективная мощность – 16,2 кВт; гидромеханический КПД ηгм = 0,965; полный КПД
η = 0,92.
Передаточное отношение механической передачи
где ηо – объемный кпд гидропередачи от насоса до гидромотора (включая насос, гид- ромотор и трубопроводы)
Частота вращения вала гидромотора
nм = 30ipωп/π = 30∙344∙0,76/3,14 = 2498 об/мин.
Сравнивая частоту вала гидромотора с максимальной, имеем
nм = 2498 об/мин < 4000 об/мин.
Давление настройки
рк = 6,28·Мр/(qмipηгмηмп) +0,5 = 6,28∙38182/(28,1∙344∙0,965∙0,
Проверяем выполнение условия рк/рmax = 0,6 ... 0,8:
рк/рmax = 25,6/32 = 0,8 – условие выполняется.
Подача насоса при давлении настройки предохранительных клапанов
Q0 = 60·Nгм/(Ркηгм) = 60∙16/(25,6∙0,965) = 38,9 л/мин.
Скорость вращения платформы в конце первого этапа разгона
Фактические значения разгоняющего и тормозного моментов
Мр = 0,159·(0,95Рк - Рсл)qмiрηгмηм.п =
= 0,159 · (0,95 ∙ 25,6 - 0,5) · 28,1 ∙ 344 ∙ 0,965 ∙ 0,9 = 31796 Н∙м;
Мт = Мр/(ηгмηм.п )2 = 31796 /(0,965∙0,9)2 =42153,4 Н·м;
Отношение r = Mp/Mт = 31796/42153,4 = 0,75.
Фактические ускорения:
- при разгоне εр = Мр/J = 31796/130105,8 = 0,24 c-2,
- при торможении εт = Мт/J = 42153,4 /130105,8 = 0,32 c-2
Фактическая максимальная скорость вращения платформы
Фактические значения времени разгона и торможения
tp = ωп/εр = 0,66/0,24 = 2,75 с;
tт = ωп/εт = 0,66/0,32 = 2,06 с.
Фактическое время поворота
tт = tр + tт + tвв = 2,75 + 2,06 + 0,4 = 5,21 с.
Общие затраты энергии:
Ао = Nпtп = 18,6∙103∙5,21 = 96906 Дж.
Полезные затраты:
Апол = (Iωп2)/2 + Мсφо ≈ (Iωп2)/2 = (130 105,8∙0,662)/2 = 28337 Н∙м.
8. Индивидуальное задание
Задание:
составить гидравлическую
Отказы привода:
- по характеру
проявления во времени –
В нашем случае вероятен отказ в гидродвигателе, связанный с уплотнениями, отказы связанные с клапанами и фильтрами и др. Повышенное усилие страгивания входного звена золотникового распределителя, утечки по уплотнениям в золотнике и заклинивание золотников.
- по возможности контроля – неконтролируемые.
- по степени влияния на выходные параметры – параметрические отказы.
Параметрические отказы характеризуются частичной потерей работоспособности привода.
- по причине
возникновения –
Вероятность порядка 30%.
- по степени повторяемости – единичные.
- по степени влияния – опасные.
Надежность гидропривода зависит от:
- условий работы;
- конструктивных и эксплуатационных разбросов, физических, геометрических и прочностных свойств материалов и узлов привода;
- от случайных факторов.
В данном гидроприводе учтены следующие факторы надежности: конструктивные, производственные, эксплуатационные. Технология изготовления и техническая документация соответствует стандартам. Условия хранения, техническое обслуживание также соответствуют стандартам. Обслуживающий персонал имеет необходимую квалификацию.
Негативное влияние на гидропривод оказывают климатические факторы, что приводит к уменьшению надежности привода.
Так как
привод эксплуатируется в
p > 25 Мпа.
Масло обладает всеми необходимыми характеристиками для работы заданного гидропривода.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ.
ОБРАТНАЯ ЛОПАТА.
На гидравлических экскаваторах 2...4-й размерных групп обратная лопата –основной вид сменного рабочего оборудования. По конструктивной схеме обратную лопату выпускают нескольких разновидностей, но основными ее сборочными единицами всегда являются: стрела, состоящая из основной 3 (рис. 1, а) и удлиняющей 4 частей; рукоять 7, ковш 9 и гидроцилиндры 11, 5 к 6 подъема стрелы, поворота рукояти и ковша.
Основную часть стрелы, как правило, используют при установке различных видов сменного рабочего оборудования, например обратной и прямой лопат, грейфера, погрузчика. Удлиняющую часть стрелы при переходе с одного вида оборудования на другой или сохраняют (например, при переоборудовании обратной лопаты на грейфер), или демонтируют.
Наряду с составной стрелой на всех моделях экскаваторов применяют неразъемную стрелу Г-образной формы.
Рис.1. Обратная лопата (а) и схема расположения гидроцилиндров ее рабочего оборудования (б) для привода стрелы (I – III), рукояти (IV) и ковша (V и VI).
Стрела обратной лопаты – прочная, пустотелая, сваренная из легированного металлопроката конструкция. Пяту стрелы шарнирно укрепляют в проушинах поворотной рамы 1, к которой присоединены также и гидроцилиндры 11 подъема стрелы. Штоки гидроцилиндров 11 шарнирно соединены со стрелой, при выдвижении штоков изменяется угол наклона стрелы по отношению к поворотной раме
Рукоять подвешена на стреле и может поворачиваться по часовой стрелке или против нее при выдвижении или втягивании штока гидроцилиндра 5. Ковш 9 закреплен на рукояти в одной точке, поэтому также может свободно поворачиваться с помощью гидроцилиндра 6.
Основная и удлиняющая части стрелы соединены между собой пальцем. Чтобы во время работы не было поворота одной части стрелы по отношению к другой, между ними дополнительно устанавливают тягу 10.
Расположение гидроцилиндров рабочего оборудования бывает различным (рис. 1, б).
Для привода стрелы 12 обычно применяют три схемы расположения гидроцилиндра 11: под стрелой впереди ее пяты (рис. 1, I), этот вариант наиболее распространен на полноповоротных экскаваторах; над стрелой (рис. 1, II), что характерно для навесных неполноповоротных экскаваторов; за пятой стрелы, обычно горизонтально (рис. 1, III).
Для подъема стрелы 12 часто устанавливают два гидроцилиндра 11. Такое конструктивное решение используют иногда и для поворота рукояти, например на навесных экскаваторах.
Для привода рукояти гидроцилиндр 5 располагают над стрелой (рис. 1, IV). Для привода ковша гидроцилиндр 6 размещают над рукоятью, причем его шток крепят или непосредственно к проушинам на ковше (рис, 1, V), или через дополнительные рычаги и тяги (рис. 1, VI).
Обратной лопатой работают следующим образом (рис 2). Втягивая шток гидроцилиндра 4, поворачивают рукоять по часовой стрелке. Стрела с рукоятью и вынесенным вперед ковшом опускается вниз как под действием веса рабочего оборудования, так и под давлением жидкости, подаваемой в гидроцилиндр стрелы. Копание осуществляют поворотом ковша и поворотом рукояти (положение 1)
Рис.2. рабочие положение оборудования обратной лопаты.
Размер стружки в процессе копания регулируют с помощью гидроцилиндра стрелы путем подъема или опускания стрелы. После того как наполненный грунтом ковш будет подтянут к стреле или повернут по отношению к рукояти настолько, чтобы грунт не высыпался, рабочее оборудование поднимают из забоя с помощью гидроцилиндра стрелы (положение II), а затем вместе с платформой поворачивают к месту разгрузки
Чтобы разгрузить ковш, поворачивают рукоять и ковш по часовой стрелке, используя для этого гидроцилиндры 2 и 4 (положение III). Затем производят обратный поворот платформы к забою и рабочий цикл повторяют.
Для повышения производительности машины совмещают подъем, рабочего оборудования и поворот платформы к месту разгрузки, а также опускание стрелы с обратным поворотом к забою.
Главный несущий элемент основной части стрелы (см. рис. 1) – полая балка коробчатого сечения. Короб закрыт сверху листом. В наиболее нагруженных сечениях балка дополнительно усилена боковыми листами.
Тягу 10, которая соединяет основную и удлиняющую части стрелы, крепят к кронштейну, который необходим для крепления гидроцилиндра рукояти при установке рабочего оборудования погрузчика. Нижний конец стрелы – пяту – пальцами шарнирно укрепляют в проушинах поворотной рамы. На этих пальцах стрела поворачивается при изменении угла ее наклона.
На экскаваторах ЭО-3322Д и ЭО-4121Б поднимают и опускают стрелу обратной лопаты с помощью двух гидроцилиндров.
Кроме составной стрелы для оборудования обратной лопаты, грейфера, гидромолота и рыхлителя в качестве сменного рабочего оборудования устанавливают моноблочную стрелу (рис. 3), которая заменяет основную и удлиняющую части составной стрелы и соединяющую их тягу.
Рис. 3. Рабочее оборудование лопаты экскаватора ЭО-4124 с