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 м^3.

      С целью сокращения продолжительности цикла путём совмещения рабочих операций принимаем двухпоточную систему.

      Схемой предусматривается возможность  работы с обратной лопатой,  погрузчиком и грейфером.

   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 потоками  подается в гидрораспределительные блоки соответственно 20 и 17 и от них на питание гидродвигателей. Исключение составляет рабочая секция P7, имеющая раздельное от всех остальных секций питание за счет использования промежуточной секции 16.

      Включение в действие того  или иного механизма экскаватора  производится с помощью соответствующих трехпозиционных золотников. В положении, показанном на рисунке все золотники находятся в нейтральном положении. В этом случае обе секции насоса подают полный поток к гидрораспределительному блоку 17. При включении любого из золотников гидрораспределительного блока 20 потоки жидкостей от секций А и Б разъединяются и питание блока 17 производится только от насоса Б.

     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 необходимостью обеспечить минимальное сопротивление движению жидкости.

      Напорные гидролинии обеих секций  насоса 1 и насоса 13 защищены от давлений, превышающих допускаемые, с помощью предохранительных клапанов. Кроме того, в напорных гидролиниях секций А и Б насоса 1 установлены еще и обратные клапаны.

      В рабочих гидролиниях гидромоторов 3 и 6, а также гидроцилиндров 5 и 7 установлены предохранительные и обратные клапаны. Первые из них слу-

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 обеспечения  процесса копания с заданной скоростью.

      Максимальная продолжительность  копания 

 

 

      Принимаем t_к = 5,7 с.

      Параметры определяющие  энергоемкость копания, принимаем  следующими: А_уд = = 2,3∙10⁵ Н·м/м³, к_н/к_р = 1,0, η_сум =0,55, к_вых =0,9, к_и = 0,85.

   Мощность  двигателя из условия заполнения  ковша за заданное время

N_e = (1000A_удqк_н)/(t_кη_сум к_вых к_р к_н) =

= (2,3∙10⁵∙0,7∙10^-3)/(5,7∙0,55∙0,9∙0,85) = 64 кВт.

 

      Радиус ковша

 

или                       

 

 

 

где b_к - ширина режущей кромки ковша,

b_к =1,5∙q^1/3 - 0,26 =1,5∙0,7^1/3 - 0,26 =1,07 м.

 

Принимаем b_к = 1,0 м, R_к = 1,2 м.

      Максимальная  сила копания

 

Р_max = 0,95А_уд ·q/R_к = 0,95∙2,3∙10⁵∙0,7/1,2 = 127458,3 Н.

 

      Масса экскаватора

m = Р_mах/(μg) = 127458,3/(0,7∙9,81) = 18,56 т.

 

    Принимаем двигатель А–41, для него: N_е = 66 кВт и  n_д = 1750 об/мин.

 

3. Определение параметров насосной установки

 

      Принимаем: р_н = 20 МПа; η_н = 0,85; η_п.н = 0,9; р_mах = 32 МПа;

р_{max p} =0,9∙32 = 29МПа; диапазон регулирования n = 2,0.

      Подача насосной  установки:

     –  при насосах постоянной подачи:

Q_н= (60N_eη_п.н.η_н)/р_н = (60∙66∙0,9∙0,85)/20 = 151,5 л/мин;

    –  при насосах переменной подачи:

Q_н = (60nN_e η_п.н.η_н)/р_{mах 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; р_н = 20 МПа; р_mах = 35 МПа;

      n_н = 1200 об/мин.

      Присоединение насоса к двигателю  предусматривается через редуктор  с передаточным отношением

 

 4. Определение геометрических размеров рабочего оборудования

     Полубаза  экскаватора:

 

В = 0,55·m^1/3 = 0,55·(18,56)^1/3 = 1,46 м.

 

Конструктивные размеры:

1_р = 1,5·1,46 = 2,2 м; I₁ = 1,5·1,46 = 2,19 м;

1_с = 1,64·1,46 = 2,4 м;  I₂ = 2,32·1,46 = 3,39 м;

R_к = 0,89·1,46 = 1,3 м;  I_к = 0,49·1,46 = 0,72 м;

 

 

 

 

          у_о = 1,22·1,46 = 1,78 м;  I₃ = 0,24·1,46 = 0,35 м;

х_о = 0,32·1,46 = 0,47 м;  I₄ = 0,35·1,46 = 0,51 м;

y_с = 0,93·1,46 = 1,36м;  I₅ = 0,35·1,46 = 0,51м;

x_с = 0,67·1,46 = 0,98 м;  I₆ = 0,27·1,46 = 0,39 м;

                                                          I₇ = 2,34·1,46 = 3,42 м;

Δ = 23.

 

 

 5. Определение энергоёмкости операций и подбор силовых гидроцилиндров

      5.1 Копание поворотом рукояти

  

      Длина рабочего хода поршня гидроцилиндра рукояти

x_р = 1_к = 0,72 м;

Принимаем: v_шт = 0,2 м/с; ψ = 1,65.

      Минимальное время копания

t_min = (ψ  x_р)/v_шт = (1,65 ∙ 0,72)/0,2 = 5,94 с.

 

      Работа копания поворотом рукояти

 

А_р = А_уд(к_н/к_р)q = 240∙0,7 = 168 кН∙м.

 

      Расчётное давление в гидросистеме

 

р_расч = р_mах/n = 35/2 = 17,5 МПа.

 

      Площадь поршневой полости гидроцилиндра

 

F₁ = A_p/(p_расчx_pη_р.о) = 168∙10³/(17,5∙10⁶∙0,72∙0,85) = 0,0157 м².

 

      Диаметр цилиндра

 

      Полный ход поршня

 

x_п = 2·l_кsin(φ_p/2) = 2∙0,72∙sin(100/2) = 1,1 м.

 

    Принимаем гидроцилиндр 1.2 – 140x1250.

   

 

 5.2 Копание поворотом ковша

      Работа копания

 

А_к = к·А_уд(к_н/к_р)q =1,3· 260∙0,7 = 236,6 кН∙м.

      Максимальное усилие копания

 

Р_max =0,95А_удq/R_к = 0,95∙ 260∙0,7/1,3 = 133 кН.

 

      Расчетное давление в гидроцилиндре

 

р_расч. = 17,5 МПа.

 

      Необходимый рабочий объем гидроцилиндра

 

W = A_к/(р_расчη_{п. к}) = 236,6∙10³/(17,5∙10⁶∙0,88) = 0,0154 м³.

 

      Полный угол поворота ковша

α_к = 175°.

 

      Угол поворота звена l₄

 

α₄  = α_к (l₆/l₄) = 175·(0,39/0,51) = 133,8°.

 

      Ход поршня

 

х_п = 2l₄sin(α₄/2) = 2∙0,51∙sin (133,8/2) = 0,94 м.

 

      Принимаем гидроцилиндр поворота  ковша с диаметром, равным диаметру гидроцилиндра рукояти: 1.1 – 140x1000.

 

      Рабочий объем цилиндра при принятых значениях D_ц и x_п

 

W' = πD_ц²x_п/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

 

v_шт = (4·Q)/(π·D_ц²) = (4∙182∙10^-3/(60∙3,14∙0,14²) = 0,197 м/с.

 

       

  Угол поворота  ковша

α_к = 175/57,3 = 3,05 рад.

 

     

 

Время перемещения  штока

t_шт = x_п/v_шт = 1/0,197 = 5,08 с.

 

      Угловая скорость

ω = α_к/t_шт = 3,05/5,08 = 0,6 с-¹.

 

 

 

 

6. Подъём рабочего оборудования

 

Работа, затрачиваемая на подъём рабочего оборудования

 

А_с = 380·10³ Н∙м.

 

Принимаем  z=2, р_расч ⁼ 35/2 = 17,5 МПа, η_с.м = 0,8.

 

Рабочий объем  гидроцилиндров подъема стрелы

 

W = А_с/(р_расчzη_c.м) = 380000/(17,5∙2∙0,8∙10⁶) = 0,0136 м³.

Из расчета геометрических размеров рабочего оборудования имеем: х_с= 0,98 м;

  у_с=1,36 м; х_о= 0,47 м; у_о=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

 

x_с = 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