Actionarea hidrostatica a mecanismului de inclinare a bratului la excavator

Memoriu de prezentare

Obiectul proiectului de fata il constituie actionarea hidrostatica a mecanismului de inclinare a bratului la excavator, dandu-se spre proiectare blocul hidraulic de comanda. Acesta este utilizat in scopul obtinerii unei scheme bloc compacte, legaturile dintre aparatele hidraulice folosite facandu-se prin intermediul orificiilor practicate in bloc.

Pentru proiectarea blocului s-au avut in vedere urmatoarele:

─ deschiderea nominala a instalatiei;

─ gabaritul aparatelor montate in bloc;

─ oglinzile aparatelor precum si pozitiile intrarilor (A) si iesirilor (B) din aparate;

─ posibilitatea montarii niplurilor in vederea asigurarii legaturilor la instalatia hidraulica.

S-a urmarit ca solutia constructiva adoptata sa fie optima din punct de vedere al consumului de material, sa fie rezistenta, robusta si sa rezulte in urma unui numar minim de prelucrari mecanice pe masini unelte.

Deschiderea nominala a circuitului si aparatelor hidraulice a rezultat in urma unui calcul general, pornind de la datele initiale ale temei si tinind seama de regimul de curgere si de pierderile hidraulice. S-au ales apoi din cataloage, motorul hidrostatic liniar (cilindrul hidraulic) precum si aparatajul hidrostatic corespunzator, functie de forta totala in cilindru, debit si DN-ul rezultat.

Pe fata superioara a blocului proiectat s-au montat trei aparate hidraulice in ordinea de mai jos:

─ un distribuitor cu 3 pozitii si 2 circuite;

─ o supapa de presiune normal inchisa;

─ un drosel de cale (drosel + supapa de sens) pentru care s-a facut si un calcul detaliat.

Cele 3 aparate sunt fixate la bloc prin intermediul unor suruburi imbus, iar niplurile alese tot functie de deschiderea nominala a circuitului fac legatura intre bloc si restul instalatiei hidraulice.

Orificiile practicate in bloc si in aparatele hidraulice asigura circulatia lichidului hidraulic, astfel:

─ lichidul refulat de pompa la distribuitor si pentru pozitia 0 a acestuia se reintoarce prin filtru la rezervor.

─ pentru pozitia A a distribuitorului lichidul refulat de pompa ajunge prin supapa de sens a droselului de cale, in camera A_i a cilindrului , deplasind pistonul acestuia in sensul corespunzator ridicarii bratului. Lichidul refulat din camera A_e a cilindrului se reintoarce la rezervor prn filtru. Daca pentru acest sens de deplasare apare o suprasarcina ce determina cresterea presiunii peste valoarea maxima admisa de supapa de siguranta, aceasta se deschide si lichidul revine la rezervor tot prn filtru, ocolind distribuitorul.

─ pentru pozitia B a distribuitorului, lichidul de la pompa intra in camera A_e a cilindrului, iar lichidul din camera A_i este obligat sa traverseze droselul in drumul spre rezervor. Astfel se realizeaza coborarea franata a bratului.

Pentru bloc s-a ales drept material OT 400.

S-au efectuat desenul de ansamblu al blocului si aparatelor si desenul de executie al blocului cu sectiunile corespunzatoare.

desen

Caiet de sarcini

Caietul de sarcini stabileste conditiile tehnice pentru executarea, montajul, punerea in functiune, incercarea si exploatarea sistemului proiectat, respectiv excavatorul hidraulic S 3602 - Braila, destinat lucrarilor de sapare in constructii urbane, hidrotehnice sau in executii.

I Caracteristici tehnice principale ale excavatorului S 3602

─ motor Diesel D 180

─ putere nominala a motorului 2 * 180 CP

─ turatie nominala a motorului 2100 rot/min

─ sistem hidraulic: debit maxim Q = 4 * 167 l/min

presiune maxima p = 280 daN/cm²

─ viteza de transport: 0 .2,3 km/h

─ greutate: 60 tone

─ ecartament: 3990 mm

II Caracteristici tehnice ale circuitului hidraulic proiectat la turatia 1328 rot/min.

In cadrul prezentului proiect s-a realizat proiectarea circuitului hidraulic al mecanismului de inclinare a bratului excavatorului, pe baza cunoasterii unor date initiale si s-a proiectat de asemenea blocul hidraulic de comanda.

Caracteristicile tehnice ale sistemului:

─ debitul specific al pompei: 46,1 cm³/rot

─ puterea de antrenare a pompei:?

─ motor hidrostatic liniar cu Φ_alezaj = 85 mm

Φ_tija = 50 mm

cursa = 400 mm

─ sarcina totala la organul de lucru: 13329 daN

─ viteza la organul de lucru: 18 cm/s

─ timpul de demarare: 0,25 s

─ masa sarcinii rezistente: 1150 daNms²

─ lungimea circuitului hidraulic: 9 m

─ schimbari de directie (coturi) : 7

─ racorduri flexibile: 3+1

─ lichid de lucru: uleiuri minerale clasa II

III Componenta sistemului proiectat

Circuitul proiectat se compune din :

─ pompa cu pistoane axiale cu debit constant

─ distribuitor cu 3 pozitii si 2 circuite

─ supapa de siguranta normal inchisa

─ drosel de cale

─ supapa de sens

─ cilindrul hidraulic

─ filtru

─ rezervor

─ instalatie hidraulica DN = 20 mm

IV Conditii de montaj ale blocului hidraulic

─ inainte de montarea aparaturii hidraulice, blocul se va degresa, spala

si se va usca cu aer comprimat

─ se vor spala de span, impuritati toate canalele blocului

─ montajul se va executa conform cotelor si ordinii indicate in documentatie

─ se fixeaza la bloc distribuitorul

─ se fixeaza supapa de presiune

─ se fixeaza droselul de cale

─ se fixeaza niplurile

─ se fixeaza blocul hidraulic in cele 4 suruburi M

V Conditii de incercare si exploatare

─ se verifica daca au fost respectate prescriptiile de calitate pentru turnare, prelucrare mecanica, tratament termic si montaj

─ incercarile se vor efectua in conditii normale de lucru

─ se vor executa probe cu blocul echipat, la presiunea nominala a aparaturii hidraulice, urmarindu-se functionarea corecta si lipsa scurgerilor (pierderilor)

─ se va urmarii montarea corecta a aparaturii

─ exploatarea si intretinerea se vor face in conformitate cu uzina producatoare

VI Instructiuni de protectie a muncii

─ se vor respecta normele de protectie a muncii prevazute pentru constructia de masini

si instalatii de ridicat , folosite in activitatea industriala

─ se vor respecta NPM prevazute la executarea lucrarilor de turnare, forjare, prelucrare mecanica la rece cu ajutorul masinilor unelte, la realizarea tratamentelor termice

─ se vor respecta NPM privind uneltele de mana

─ se vor respecta NPM in caz de accidentare si instructiunile de protectie a muncii la efectuarea probelor, precum si in exploatare.

Desen

1. Reducerea sarcinilor tehnologice rezistente ale mecanismului actionat, la nivelul organului    activ al motorului hidrostatic

In regimul tranzitoriu apar forte de inertie F_i

unde j = masa sarcinii rezistente

j = 1150 daNms²

ε = acceleratia unghiulara

Egaland cele 2 expresii ale momentului de inertie obtinem:

Dar

unde t_d = timpul de demarare

Inlocuind in formula lui F_n obtin:

Din ΔABO se obtine:

Atunci

iau .

2. Adoptarea presiunilor nominale si alegerea sau proiectarea preliminara a motorului hidrostatic

Adopt ca presiune de lucru p = 250 daN/cm²

forta totala in cilindru

Stiu ca:

Conform catalogului aleg pozitia 11 careia ii corespunde cilindrul cu codul 156.1350.00.000 avand

Φ_alezaj = 85 mm

Φ_tija = 50 mm

cursa = 400 mm

lungimea de montaj = 780mm

Recalculez presiunea de lucru (la intrarea in cilindru)

3. Calculul debitului si al deschiderii nominale a circuitului si aparatajului hidrostatic

Deschiderea nominala a circuitului se calculeaza cu relatia:

unde ν = vascozitatea cinematica

ν = 0,4 cm²/s

Re_cr = valoarea limita a criteriului ce defineste regimul de curgere

Re_cr = 2320 (adimensional)

Se alege din STAS valoarea DN = 20 mm, pentru a avea o curgere laminara.

4. Calculul presiunilor de solicitare ale circuitelor, motorului si pompei

4.1. Calculul contra presiunii la iesirea din motorul hidrostatic

unde p_e = contra presiunea la iesirea din motor

Δ p_e = caderea de presiune pe ramura de iesire

unde Δ p_e^l = caderea de presiune liniara pe ramura de iesire

Δ p_e^L = caderea de presiune locala pe ramura de iesire

Δ p_e^l se calculeaza cu formula:

unde:

Q_e= debitul la iesirea din motorul hidrostatic; [l]

γ = greutatea unitatii de lichid; [daN/cm³]

l = lungimea conductei; [m]

ν = vascozitatea cinematica; [cm²/s]

DN = deschiderea nominala a circuitului. [cm]

Vom afla Q_e cu formula:

unde Q_i(1-η_{v cil}) = debitul care a ajuns din stanga in dreapta prin actionarea pistonului.

Inlocuind in formula obtin:

Vom afla Δ p_e^l stiind:

Q_e = 42 [l/min]

l = 9 m

ν = 0,4 cm²/s

γ = 0,9 daN/dm³

DN = 2 cm

Deci

Δ p_e^L se calculeaza cu formula:

unde:

Σξ = suma coeficientilor pierderilor locale de sarcina

n_c = numar coturi; n_c = 7; ξ_c = 0,984

n_f = numar filtre; n_f = 1; ξ_f = 10

n_rf = numar racorduri flexibile; n_rf = 4; ξ_rf = 0,15

n_ss = numar supape de sens; n_ss = 2; ξ_ss = 8

Δ p_d = caderea de presiune pe distribuitor

Δ p_d = 2 [daN/cm²]

Inlocuind in formula se obtine:

p_e = 3[daN/cm²]

Calculul presiunii la intrarea in motor

Deoarece pistonul motorului hidrostatic este in ecilibru si au loc pierderi prin frecari exista relatia:

unde F = 13329 [N]

p_e = 3[daN/cm²]

A_i = 56,71625 [cm²]

Atunci inlocuind in formula se obtine:

Calculul pierderilor de presiune ale circuitului pompa- motor hidrostatic.

unde:

Δp_i^l = caderea de presiune liniara pe ramura de intrare in motor

Δp_i^L = caderea de presiune locala pe ramura de intrare in motor

Se utilizeaza formula:

unde:    Q_i = 63,15 [l/min]

γ = 0,9 [daN/dm³ ]

ν = 0,4 [cm²/s]

l = 9 [m]

DN = 2 [cm]

Inlocuind in formula se obtine:

Se utilizeaza formula:

unde:

Q_i = 63,15 [l/min]

DN = 2 [cm]

γ = 0,9 [daN/dm³ ] ; Δp_d = 2 [daN/cm² ]

Inlocuind in formula se obtine:

Atunci

Calculul presiunii de solicitare a pompei

Se calculeaza cu formula:

P_sp = 245,8 [daN/cm²]

Voi alege din catalog, functie de Q_i = 63,15 [l/min], urmatoarea pompa:

cu

Calculez n_ef utilizand formula:

Verificarea anticavitationala a pompei

Se face cu relatia:

p_a ≥ p_v unde: p_a = presiunea locala a lichidului in zona de aspiratie

p_v = presiunea de vaporizare a lichidului la temperatura data

p_v = 0,6.0,7 [daN/cm²]

Se utilizeaza formula:

unde:

p_r = presiunea lichidului in zona de refulare:

p_r = 1,033 [daN/cm² ]

γ = greutatea specifica a lichidului

γ = 0,9 [daN/cm³ ]

H_a = inaltimea de aspiratie a pompei

H_a =1,2 [m ]

l_a = lungimea conductei de aspiratie

l_a =1 [m ]

v_a = viteza medie a lichidului in conducta de aspiratie

A = suprafata pistonului pompei

F_a = suprafata conductei de aspiratie

a = acceleratia pistonului pompei

g = acceleratia gravitationala = 9,81 m/s²

S-a notat cu φ_a:

S-a luat d_a = diametrul interior al conductei de aspiratie

d_a = 3 DN = 320 = 60 (mm) = 6 (cm)

Atunci

deoarece Φ_piston = 20 mm

z = numar pistoane pompa = 7

α = 18^◦ = unghiul de inclinare al blocului pistoanelor fata de discul de antrenare

Se considera Σξ_a = suma coeficientilor pierderilor locale de sarcina

Atunci

Trebuie sa calculez raza de dispersie a pistonaselor, R. Stiu ca cilindreea ( debitul specific) este

unde d = Φ_piston ; α = 18^◦ ; z = 7 ; V_p = 46,1 [cm³/rot]

Inlocuind in formula am:

Consider doua cazuri pentru calculul vitezei si acceleratiei pistonaselor. Mai intai insa calculez ω.

Pentru :

Consider ca rezervorul sistemului este amplasat deasupra axului pompei, pompa lucreaza in regim "inecat" si H_a = -120 (cm).

Inlocuind in formula de mai sus obtin:

Pentru

Prin urmare este respectata relatia p_a≥p_v, deci efectele daunatoare ale cavitatiei sunt evitate.

Calculul droselului

Desen

Debitul de lichid prin drosel se calculeaza cu relatia:

unde:

Δp_dr = caderea de presiune pe drosel = p_idr - p_edr

S_dr = sectiunea activa a droselului

c_d = coeficientul de debit ; se determina experimental

. Aleg c_d =0,66.

ρ = densitatea lichidului;

Trebuie sa calculez Δp_dr.

(din conditia de echilibru a pistonului)

Inlocuind in formula se obtine:

unde:

Inlocuind in formula se obtine:

Inlocuind in formula se obtine:

Atunci

unde l = 7(m)

Atunci

Dar

Calculul supapei de sens

Desen

Forta maxima de prestrangere a arcului este data de relatia:

( conditia de rezistenta la contact )

Rezulta ca ; d₂ = diametrul scaunului supapei

d₁ =DN =2 (cm) = diametrul orizontal de intrare in supapa

Aleg pentru tija si elementul de inchidere al supapei OLC 15.

Pentru OLC 15 avem σ_ak = 1200 (N/mm²) = 12000 (daN/cm² )

Atunci

Notez cu h = inaltimea de deschidere a supapei ( cursa arcului )

Debitul de lichid ce trece prin supapa este dat de relatia:

unde: S_s = sectiunea activa a supapei

Δp_s = caderea de presiune pe supapa

c_D = coeficientul de debit

ξ = coeficientul pierderilor de sarcina locale

ξ = 8 pentru supapa

Din relatia de mai sus rezulta:

Dar

Egaland cele 2 expresii rezulta ca

Trebuie sa calculez Δp_s.

Inlocuind in formula se obtine:

Atunci

Notez cu k = constanta arcului supapei

Calculul arcului supapei (conform STAS 7067-76)

Aleg pentru arc materialul Arc 1 cu τ_a = 650 (N/mm² ), adica τ_a = 65 (daN/mm² ).

Aleg i = 8 unde unde D_m = diametrul mediu al arcului

d = diametrul sarmei arcului

Pentru d se aplica formula:

unde c = coeficientul de forma

P_n = sarcina maxima de lucru [N]

Atunci

Deci d_{sarma arc} = 0,7 (mm)

D = diametrul exterior al arcului

D₁ = diametrul interior al arcului

Se noteaza cu:

H₀ = inaltimea (lungimea) arcului in stare libera (cu cap inchis prelucrat)

unde:    n = numarul de spire active

spire

G = 80000 (N/mm²)

n_r = numarul spirelor de reazem

n_r = 2

n₁ = numarul total de spire

n₁ = 14+2=16 spire

t = pasul spirelor active in stare libera

Se alege t = 2 mm deoarece trebuie verificata relatia

;

;

Atunci H₀ devine egal cu :

Alegerea aparatajului de comanda si control

Functie de DN = 20 (mm) se aleg urmatoarele aparate:

Distribuitor cod DEH 20- 04R -PY -024/00 - S-0

CH 14

Supapa de siguranta cod SPP 20 -04.1. M- 0

CH 33

Drosel de cale cod DR1P20 -M-0

CH 53

Randamentul general al pompei

Se calculeaza cu formula:

unde:    p = p_sp = 245,8 (daN/cm²)

Q = Q_i = 63,15 (l/min)

P_v = pierderi de presiune - se iau din ATLAS

c₁, c₂ = coeficienti ce se iau din ATLAS

Q_v = se ia din ATLAS

Calculez puterea de antrenare a pompei:

Mai intai voi calcula:

Functie de x si ε se aleg din ATLAS urmatoarele:

p_v = 0,5 (kgf/cm²)

Q_v = 1,9 (l/min)

c₁= 0,049

c₂ = 0,025

Atunci:

Introduc η_G1p in formula N_p si obtin:

Randamentul general al sistemului se calculeaza cu formula:

Randamentul general al pompei e dat de relatia:

unde η_h = randamentul hidraulic; tine seama de pierderile datorate frecarilor dintre particulele

lichide si dintre lichid si pereti, la circulatia lichidului prin pompa.

η_m = randamentul mecanic; tine seama de pierderile datorate frecarilor mecanice intre piesele aflate in miscare relativa in pompa

η_v = randamentul volumetric; tine seama de pierderile hidraulice in pompa datorate scurgerilor inverse ale lichidului din zona de inalta presiune in cea de joasa presiune prin jocuri, neetanseitati, interstitii.

Din ATLAS rezulta urmatoarele valori pentru randamente:

Atunci