Модернизация гидропривода экскаватора 4 рамерной группы

Введение
Курсовое проектирование для машиностроительных специальностей, вузов, является важным этапом процесса формирования знаний инженера-машиностроителя. Курсовой проект, кроме того, представляет собой подготовительную работу для дипломного проекта.
Курсовое проектирование закрепляет, углубляет и обобщает знания, полученные во время лекционных или практических занятий, учит пользоваться справочной литературой, ГОСТами, таблицами, номограммами, нормами, умело сочетая справочные данные с теоретическими знаниями, полученными в процессе изучения курса. В настоящее время существует много проблем связанных с усовершенствованием гидропривода землеройных машин. Одной из них является удаление растворенного в рабочей жидкости воздуха. В рабочей жидкости может содержаться от 10 до 20% воздуха. Это приводит к тому что во первых увеличивается ковитационный износ, а во вторых снижается производительность, за счет увеличения времени срабатывания гидроцилиндров. Целью данного курсового проекта является разработка конструкции гидробака с механизмом удаления воздуха из жидкости.
1. Анализ найденных патентных решений В результате патентного поиска было найдено несколько авторских свидетельств связаны с решением этой проблемы. Рассмотрим недостатки данных изобретений (найденные авторские свидетельства представлены в приложении). Основным недостатком всех большинства найденных решений является то, что конструкции представленных изобретений являются сложными и трудоемкими в изготовлении. Кроме этого имеются другие недостатки которые рассмотрим в отдельности ля каждого авторского свидетельства. 1. А.С. №1435266 и №1780803. Эти две конструкции схожи по конструкции. Кроме выше сказанного они имеют и имеют большие габариты связанные с установкой устройства для дегазации жидкости; 2. А.С. № 1692944. Устройство имеет простую конструкцию но в нем не предусмотрена система регуляции разряжения в верхней полости бака. 3. А. С. № 1719015. Кроме того, что устройство по конструкции является довольно сложным, эту идею нельзя применить для стандартного бака, т. е. необходимо спроектировать совершенно новую конструкцию бака, и наладить производство данного изделия. Техническое предложение представлено на рисунке 1.1. Данная конструкция имеет ряд преимуществ перед теми изобретениями, которые были проанализированы выше. Это простота конструкции, возможность применения в стандартном баке. Наиболее близкой по конструкции является схема представленная в авторском свидетельстве №1692944. Отличие состоит в том, что в техническом предложении имеемся устройство для регуляции разряжения в верхней части бака. Принцип работы состоит в следующем. Жидкость двигаясь по сливному трубопроводу через штуцер 1 попадает на лопатки турбины 2, приводя её во вращение. Вращаясь, турбина приводит в движение поршень цилиндра 3, таким образом в верхней части бака создается разряжение способствующее выделению растворенного в жидкости воздуха. Рисунок 1.1 Техническое предложение Затем когда разряжение начнет переходить за пределы допустимого начнет двигаться поршень цилиндра 4, перенаправляя тем самым поток жидкости. Турбина перестает вращаться и откачка воздуха прекращается.
2. Основные расчеты экскаватора ЭО – 4121

2.1 Тяговый расчет Движение по горизонтали Необходимое для движения по горизонтали тяговое усилие Sт на одной гусеничной ленте:
2Sт = Wвн + Wи + Wк + Wв, где Wвн – внутреннее сопротивление ходовых механизмов; Wи – сопротивление сил инерции при трогании с места; Wк – сопротивление грунта при перемещении экскаватора; Wв – сопротивление ветра. Внутреннее сопротивление ходовых механизмов:
Wвн = α·(W1+ W2+ W3+ W4+ W5+ W6+ W7), где α – коэффициент, учитывающий добавочное сопротивление от внешних сил, α = 1, 2; W1 – сопротивление в подшипниках опорных катков; W2 – сопротивление в подшипниках ведущих колес; W3 – сопротивление в подшипниках направляющих колес; W4 – сопротивление качению опорных катков по гусеничным лентам; W5 – сопротивление изгибанию гусеничных цепе на ведущих колесах; W6 – сопротивление изгибанию гусеничных цепей на направляющих колесах; W7 – сопротивление движению гусеничных цепей по поддерживающим каткам. Сопротивления W2, W3, W5 и W6 находятся в функциональной зависимости от Sт. если коэффициенты этой зависимости обозначить через р, l, m и n, то
Wвн = α(W1 + p·Sт + l· Sт + W4 + m·Sт + n· Sт +W7). Если теперь в формулу для определения Sт подставить значения Wвн и преобразовать её то она прими вид:
. Сопротивление в подшипниках опорных катков:
, где Gэ = 205800 Н – вес экскаватора ЭО-4121 с оборудованием обратная лопата с ковшом вместимостью 1,25 м3; qзв – вес гусеничных звеньев, лежащих на земле; fпк – приведенный коэффициент трения качения; d1 = 0.08 м – диаметр цапфы катка; D1 = 0,24 м – диаметр опорного катка. Вес гусеничных звеньев:
Н, где = 472 Н – вес одного гусеничного звена; L = 3 м – длина гусеничной ленты, лежащей на земле; t = 0.203 м – шаг гусеничного звена. Приведенный коэффициент трения качения:
, где К = 0,01 см – коэффициент трения качения; dц = 0,06 м – диаметр цапфы катка; D = 0.106 м – наружный диаметр внутреннего кольца подшипника; δ – диаметр тела качения подшипника, для подшипника 3616 δ=0,016 м. Сопротивление в подшипниках опорных катков:
= 210 Н. Сопротивление в подшипниках ведущих колес:
, где RA, RB – реакции в подшипниках вала ведущего колеса; dцA, dцВ – диаметр цапф вала ведущего колеса; fпкА, fпкВ – приведенные коэффициенты трения качения в цапфах вала ведущего колеса; D2 = 0.743 м условный диаметр ведущего колеса. В соответствии с рисунком 2.1
;
, где α = 24˚23΄ - угол зацепления зубчатых колес; Dk = 0.462 м; D2 = 0.743 м.
Подставив в эти выражения значения величин получим:
; N = 1.61 · ST · tg24˚23΄= 0.73 ST. В соответствии с рисунком 2.1 RAX =

;




Рисунок 2.1 Схема усилий в механизме хода
RBX =
;
RAY =
;
RBY =
;
;
. Для опоры А, подшипник 3626:
dцА = 0,13 м; DA = 0.174 м; δА = 0,031 м;
fпкА = . Для опоры В, подшипник 356:
dцВ = 0,13 м; DA = 0.161 м; δА = 0,020 м;
fпкА = Сопротивление в подшипниках ведущих колес:
Следовательно р = 0,0015 Сопротивление в подшипниках направляющих колес: при переднем ходе W3 =, где d3 = 0.11 м – диаметр цапфы натяжного колеса; D3 = 0.6 м – диаметр натяжного колеса; при заднем ходе: . для подшипника 3522
dц = 0,11 м; D = 0.138 м; δА = 0,0175 м;
fпк = Подставив значения величин, получим: W3 =;
. Следовательно l = 0.0024, l′ = 0.00154. Сопротивление качению катков по гусеничным лентам
Н, где fк = 0,15·10-2 – коэффициент трения качения катков по гусеничным лентам. Сопротивление изгибанию гусеничных цепей на ведущих колесах при переднем ходе:
, где μ = 0,35 – коэффициент трения шарниров звеньев цепи; d0 = 0.0445 м – диаметр пальцев шарниров звеньев гусеничной цепи; При заднем ходе
. Следовательно, m = 0.0482; m′ = 0.0419. Сопротивление изгибанию гусеничных цепей на направляющих колесах: при переднем ходе
; при заднем ходе
. Следовательно, n = 0.0156, n′ = 0.104. Сопротивление движению гусеницы по поддерживающим каткам
, где q1зв – вес верхней части гусеничной цепи; D5 = 0,15 м – диаметр поддерживающего катка; d5 = 0,05 м – диаметр оси поддерживающего катка; fк = 0,15 см – коэффициент трения качения звеньев гусеницы по поддерживающим каткам. Для подшипника 310
dц = 0,05 м; D = 0,0687 м; δ = 0,01905 м;
fпк = вес верхней части гусеничной цепи
Н, где L′ = 0.91 м – длина гусеничной ленты лежащей на поддерживающих катках. Подставив значения величин получим:
Н. Сопротивление сил инерции при трогании катка с места
Н, где v = 0,6 м/с скорость передвижения экскаватора; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения; tр = 2с время разгона экскаватора.
, где n = 2 – число гусеничных лент; b =0,58 – ширина гусеничного звена; p –среднее давление на грунт; р0 = 0,3·9,81·10-6 Н/(м2·м) – постоянный для данной почвы коэффициент удельного сопротивления почвы смятию; h – глубина погружения гусениц. Среднее давление на грунт:
Па, где D′ = 0,958 – диаметр окружности, описанной вокруг гусеницы на ведущем колесе. Глубина погружения гусеницы:
м. Подставив значения величин получим:
Н. Сопротивление ветра
,
где q – предельно допустимое динамическое давление ветра по ГОСТ 1451-77 q = 125 Па; F – наветренная площадь экскаватора, определяют по рисунку 2.2 Наветренная площадь экскаватора:
F = F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + F6 =
=1,141 + 0,44 + 4,3 + 1,28 + 0,60 + 0,60 = 8,361 м, где F1 = 0,7·1,63 = 1,141 м2; F2 = 0,875·0,5 = 0,44 м2; F3 = 3,0·1,43 =4,3 м2; F4 = 1,88·0,68 = 1,28 м2; F5 = 0,68·0,96 = 0,60 м2; F5 = 0,68·0,96 = 0,60 м2.
Подставив значения величин, получим:
Н. Необходимое тяговое усилие при движении по горизонтальной поверхности: при трогании с места передним ходом
Н;
при трогании с места задним ходом
Н; при установившемся движении передним ходом
Н; при установившемся движении передним ходом
Н; Движение на подъем Сопротивление подъему при движении: уклон 5о
Н; уклон 20о
Н. Необходимое тяговое усилие при движении задним ходом при трогании с места: уклон 5о

Н; уклон 5о

Н. Движение при повороте Сопротивление повороту
Рисунок 2.3 Схема опорной площади гусеничного хода , где Мс – момент сопротивления повороту r – радиус разворота рисунок 2.3 Момент сопротивления развороту
Н·м где μ – коэффициент сопротивления аовороту:
= (μmax = 0.8; а – постоянный коэффициент, принимаемый а = 0,85; r2 = d + b = 0.58 + 1.77 = 3.35 м; В = 2,35 м); Lср = 3 м. Подставив значения величин, получаем:
Н. Необходимое тяговое усилие: для поворота при переднем ходе

Н для поворота при заднем ходе
Н. Тяговое усилие гидромотора Тяговое усилие гидромотора: Н, где М2м = 255 Н·м – максимальный крутящий момент ходового механизма; Их = 130,8 – передаточное число редуктора привода ходового механизма; η = 0,9 – КПД привода ходового механизма. Из расчета видно, что Sт. пов Тяговое усилие, необходимое для определения сцепления гусеничных лент с грунтом Тяговое усилие
Sт. сц = 0,5·φ·Gэ = 0,5·0,9·205800 = 92610 Н, где φ – коэффициент сцепления с грунтом для влажной стерни φ = 0,9.























2.2 Расчет устойчивости
Рассмотрим устойчивость в следующих случаях. Первый случай. Экскаватор стоит на горизонтальной площадке. Рабочее оборудование расположено поперек гусениц. Ковш наполнен грунтом коэффициент наполнения Кн = 1,35. Производится резание грунта 5-й категории при выходе ковша из забоя. Действующие силы: собственный вес, вес грунта в ковше, и усилие на зубьях ковша. При этом коэффициент устойчивости должен быть [Ку] ≥ 1,15. Второй случай. Вращение экскаватора на наклонной площадке с углом наклона α = 5о в сторону рабочего оборудования. Ковш вместимостью 0,65 м3с грунтом находящемся на наибольшем вылете . Действующие силы: собственный вес, вес грунта в ковше, центробежные силы [Ку] ≥ 1,1. Третий случай. Движение на косогоре при α = 15о. Действующие силы: собственный вес и ветер поперек косогора [Ку] ≥ 1,15. Четвертый случай. Экскаватор без рабочего оборудования на наклонной площадке при α = 12о хвостовой частью под уклон. Действует собственный вес. [Ку] ≥ 1,15. Определение усилий резания Касательная составляющая реакции грунта копанию:
Р01 = Р01р + Р01н + Р01т, где Р01 – составляющая от резания грунта; Р01н – составляющая от наполнения ковша; Р01т – составляющая от трения ковша о грунт. Нормальная составляющая реакция грунта от копания:
Р02 = σ·y·n·bp·g, где σ = 12,5 максимальный предел прочности грунта при смятии; у = 3 см проекция контура износа режущей кромки на касательную траектории резания; n = 5 – число зубьев ковша bp = 8 см ширина зуба ковша. Составляющая от резания грунта:
Р01р = [τ·hc·(Bк + hc)·(0.55 + 0,015·α) + σ·(z·n·bp +μ·y·n·bp)]·g, Где τ = 1,25 максимальный предел прочности грунта при срезе; hc – толщина срезаемой стружки; Bк = 1,2 м – ширина ковша; α = 49˚ передний угол резания; z = 0,8 см проекция износа режущей кромки на нормаль к траектории; μ= 0,5 коэффициент трения стали о грунт; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения. Толщина срезаемой стружки определяем, исходя из условия наполнения ковша на 135% при коэффициент разрыхления Кр = 1,35. наполнение ковша происходит при полном повороте ковша на 152˚ (рис. 2.4). Объем грунта в ковше , где R, hс – см. рисунок 2.4; Кн = 1,35 коэффициент наполнения ковша. Решив уравнение получим hс = 0.15 м = 15 см.
Р01р = [1,25·0,15·(1,2 + 0,15)·(0,55 + 0,015·49) + 12,5·(0,6·5·8 +0,5·3·5·8)]·9,81 = =11775 Н. Рисунок 2.4. Схема снятия стружки при повороте ковша Составляющая от наполнения ковша
,
где Нн = 0,6 м высота наполнения ковша; σ = 2,0 т/м3 плотность грунта в плотном теле; φi – угол между двумя соседними положениями траектории копания (см. рис. 2.2); = 1,0 коэффициент трения грунта о грунт;
. После подстановки расчетных величин получим:
. Примем φi = 90˚. Тогда cos φi = 0 и Р01н = 0. Составляющую Р01т не учитываем ввиду ее малого значения. Тогда касательная составляющая реакции грунта копанию:
Р01 = Р01р = 11775 Н. Нормальная составляющая реакции грунта копанию:
Р02 = 12,5·3·5·8·9,81 = 14715 Н. Первый случай. Расчетная схема приведена на рисунке 2.5 Коэффициент устойчивости:
, где ∑Муд – сумма удерживающих моментов; ∑Мопр – сумма опрокидывающих моментов. Сумма удерживающих моментов:
∑Муд = mп·g·(rп + b) + mт·g·b = 8000·9,81·2,43 + +6000·9,81·1,14=238500Н·м где mп – масса поворотной платформы; g – ускорение свободного падения; mт – масса ходовой тележки. Сумма опрокидывающих моментов:
∑Мопр = mс·g·rс + mцс·g·rцс + mр·g·rр + mцр·g·rцр + mцк·g·rцк + mкг·g·rкг +
+ Р01·r01 , где m – массы соответствующих частей рабочего оборудования; r – плечи соответствующих масс, определенные геометрически; rс = 2,037 м; rцс = =0,877 м; rр = 4,765 м; rцр= 4,18; rцк = 4,154 м; rкг = 2,289 м; r01 = 1,42 м; mкг – масса ковша с грузом:
mкг = mк + ρ·q·кг. Подставим значение получим:
∑Мопр = 1725·9,81·2,037 + 243·9,81·0,877 + 540·9,81·4,765 + +260·9,81·4,175 + 201·9,81·4,154 + 1970·9,81·2,289 +
+ 58884·1,42 = 163800 Н·м, Коэффициент устойчивости:
. В рассмотренном случае касательное усилие Р01 = 238500 Н; реализуется устойчивость. Второй случай. Расчетная схема приведена на рисунке 2.6 Рисунок 2.6. Расчетная схема для второго случая Для расчета коэффициента устойчивости опредиляем удерживающий момент:
. Статический удерживающий момент от веса экскаватора без рабочего оборудования:
Муд.с = mп·rп + mт·rп = 9,81·(2,3·8000 + 1,09·6000) = 244661 Н·м. Динамический удерживающий момент от центробежных сил инерции поворотной платформы:
Муд. д. = mп·ω2·rп·hп = 9000·0,632·2,3·1,32 = 10844 Н·м, где ω = 0,63 рад/с – угловая скорость поворотной платформы. Опракидывающий момент:
ΣМопр = Мр. о. с. + ΣМр. с. д., где Мр. о. с. – статический опрокидывающий момент от веса рабочего оборудования с грунтом; ΣМр. с. д. – сумма динамических опрокидывающих моментов от центробежных сил инерции элементов рабочего оборудования. Статичнский опрокидывающий момен:
Мр. о. с = mс·g·rc + mц. с.·g·rц. с. + mц. р.·g·rц. р +
Mц. к.·g·rц. к + mр.·g·rр + mк. г.·g·rк. г. + =
= 9,81·(243·0,618 + 1725·1,701 + 260·4,039 + 1970·6,713 + 550·5,408 + +201·4,156) = 225746 Н·м, где ri, hi определены графически. Опрокидывающие динамические моменты от ценобежных сил инерции элементов рабочего оборудования с равномерно распредиленными по их длинне массами:
, где x1, y1, x2, y2 показаны на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 схема определения координат Опрокидывающий момент от центробежных сил инерции: Нижней части стрелы:
Н·м

= 206 Н·м; верхней части стрелы:
= 460 Н·м; цилиндров стрелы
= 47 Н·м; рукояти
= 580 Н·м; цилиндров рукояти
= 340 Н·м; цилиндра ковша

= 240 Н·м; Опрокидывающий динамически момент от центробежных сил инерции ковша с грунтом
Мк. г. д. = mк. г.·ω2·rк. г.·hк. г. = 1970·0,622·6,713·1,864 = 11443 Н·м



3. Расчет объема воздуха удаляемого из бака.
Разряжение необходимое для наиболее лучшего выделения воздуха из жидкости (0,13…0,42)·Ратм, где Ратм = 105 Па – атмосферное давление. Рассчитаем объем воздуха выкачиваемого из бака необходимого для достижения разряжения 0,13·Ратм. Для этого воспользуемся законом Менделеева – Клапейрона:
, где P – давление; V – объем; m – масса воздуха в данном объеме; М = =0290кг/кмоль – молярная масса воздуха; R = 8,31·103 Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная; Т – температура воздуха в баке.
, где m1, m2 – массы воздуха соответственно до и после разряжения.
m1 = ρв·Vв, где ρв = 1,29 кг/м3 – плотность воздуха в нормальных условиях; Vв = 160 л – –2объем воздуха в верхней части бака до создания разряжения. Подставив данные величины получим:

m1 = 1,29·0,160 = 0,2064 кг, от сюда находим m2:
m2 = 0,13·0,2064 =0,027 кг
V1 = Vв – m2/ρв = 0,160 – 0,027/1,29 =0,139 м3 = 139 л. Для разряжения 0,42·Ратм Объем выкачиваемого воздуха рассчитывается аналогично и составляет V2 = 93 л. В среднем получим Vср = 116 л. Рассчитаем в среднем количество оборотов турбины необходимого для достижения разряжения:
, где nср – среднее количество оборотов турбины; Vср – средний выкачиваемый объем воздуха; Vц – объем полости цилиндра который рассчитаем по формуле:
Vц = L2·r·π, где L = 15 мм = 0,015 м – ход поршня; r = 13 мм = 0,013 м радиус внутренней полости цилиндра; π = 3,14. Подставив значения получим:
Vц = 0,0152·0,013·3,14 = 9,2·10-6 м3 = 0,0092 л От сюда найдем nср:
Список используемых источников
1. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1979. – 728 с., ил. 2. Савельев И. В. Общий курс физики: В 2-х томах Т. 1. – М: Наука, 1977. – 658 с., ил. 3. Болтыхов В. П. Гидравлический экскаватор ЭО 5124. – М: Машиностроение, 1991. – 256 с., ил. 4. Гаврилов И. И. Гидравлический экскаватор ЭО 4121. – М: Машиностроение, 1980. – 232 с., ил.