Ижевский государственный технический университет

Кафедра «Строительные и дорожные машины»

Баранчик В.П., Тимиров И.А.

Методические указания

к лабораторно-практическим занятиям

по курсам «Строительные машины» и

«Механизация и автоматизация строительного производства»

Ижевск-2010

Лабораторно-практическое занятие № 2

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД:

Определение параметров автомобильного гидравлического подъёмника

Общие методические указания

Подъёмники с гидравлическим приводом на автомобилях, тракторах и на спецшасси применяют для производства наружных ремонтных работ с частой переменой места и выполнения некоторых монтажных работ на высоте. Они имеют двух- или трёхколенную стрелу с рычажной системой, образующей параллелограмм и обеспечивающей большие радиусы, высоту и постоянное горизонтальное положение люльки, независимо от положения колен стрелы (Рис. 1, а,б). Транспортная скорость машины – 50 км/час.

Коленчато-рычажная система рабочего оборудования смонтирована на поворотной платформе 5, установленной (с использованием опорно-поворотной платформы кранового типа) на автомобиле, тракторе или на специальном шасси. Неповоротная рама оборудована выносными опорами кранового типа. Подъём и горизонтальное перемещение люльки осуществляется гидроцилиндрами колен стрелы. Наибольшее горизонтальное перемещение люльки приходится примерно на половину высоты подъёма, с соответствующим уменьшением до 2-4 м в крайних нижнем и верхнем положениях (Рис. 1,в). Предусмотрена возможность небольшого опускания люльки ниже уровня стоянки машины. Грузоподъёмность 250 – 350 кг, высота подъёма – до 36 м, наибольший вылет – от 9 до 15 м.

Подъёмники оборудованы двумя гидросистемами: высокого (10-14 МПа) и низкого давления. Первая используется для привода механизмов, а вторая – для связи пультов управления. Привод механизмов – от коробки отбора мощности двигателя автомобиля. Управление осуществляется с нижнего (на платформе) или с верхнего (в люльке) пульта. В связи с подъёмом людей, подъёмники снабжены системами безопасности: аварийной остановки двигателя; спуска людей при отказе гидросистемы; контроля горизонтальности люльки; предотвращения включения гидроцилиндров при отсутствии гидроопор.

Рис. 1. Рычажный гидроподъёмник (автоподъёмник) :

а) общий вид; б) рычажная система; в) обслуживаемая зона;

1, 3, 4 – вспомогательные рычаги, образующие параллелограмм, 2 - площадка для рабочих с материалами, 5 – поворотная платформа.

Данное занятие проводится с целью закрепления знаний сту­дентов по разделам «Гидравлический привод» и «Грузоподъемные машины», приобретения навыков расчета параметров машин с гидравлическим приводом: кранов, подъёмников, погрузчиков, экскаваторов и т.д.

Проведению занятия должно предшествовать изучение студен­тами общего устройства и принципа действия основных элементов гидропривода: гидронасосов, гидроцилиндров, гидромоторов, гидрораспределителей и клапанов, по конспектам лекций, рекомендованной литературе, плакатам и натурным образцам гидроагрегатов.

Исходные данные для расчета механизма студенты находят в таблице заданий по названному преподавателем варианту. В последующем, по указанной в настоящей разработке методике, студенты выполняют следующее:

1. Рассчитывают:

• Давление и усилия в гидроцилиндрах, в гидромоторе и гидронасосе;

• Скорости подъёма люльки, выдвижения колен стрелы и вращения платформы;

• Мощность на элементах рабочего оборудования и на валу двигателя;

2. Выполняют кинематическую схему автоподъёмника по числовым величинам, полученным расчетным путем, и взятым из таблицы заданий фактическим значениям параметров.

Для облегчения работы студентов последовательность выпол­нения расчетов и методика анализа результатов поясняются на конкретном примере.

Занятие рассчитано на четыре аудиторных часа. Окончательное чистовое оформление расчетов и схемы студенты выполняют дома самостоятельно. Завершенную работу сдают преподавателю до срока выполнения следующей лабораторной работы.

Принимая задание, преподаватель проверяет правильность расчетов, анализа результатов, задает воп­росы и проверяет усвоение студентами материала по рассматри­ваемому разделу курса.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие работы выполняются с применением подъёмников, люлек и монтажных вышек?

2. В чём преимущества и недостатки автогидроподъёмников?

3. Из каких агрегатов состоит и какие основные параметры характеризуют гидропривод?

4. Каковы преимущества и недостатки гидропривода, по сравнению с механическим приводом?

5. Какие требования предъявляются к жидкостям гидравлической системы?

6. Как устроен и работает гидронасос, как определяется его производительность, давление и крутящий момент?

7. Как устроен и работает гидроцилиндр, как определяется его расход, давление и усилие на штоке?

8. Как устроен и работает гидромотор, как определяется его расход, давление и крутящий момент?

9. Как определяется мощность, потребляемая насосом?

10. Как и для чего регулируется скорость в гидроприводе?

11. В чём суть дроссельного регулирования скорости и давления?

12. В чём суть регулируемого насоса и мотора?

13. Как изменяется скорость потока от насоса и скорости штоков гидроцилиндров при одновременной их работе ?

14. Для чего служит гидрораспределитель?

15. Для чего служит предохранительный клапан?

16. Для чего служит редукционный клапан?

17. Для чего применяют редукционный клапан?

18. Для чего применяют подпиточный насос?

Рис. 2. Кинематическая схема автоподъёмника с гидравлическим приводом

типа АГП

Таблица заданий

№ задания	Подъёмник/ число колен стрелы z	Масса груза, G, кг	Высота H подъёма, м	Скорость подъёмаV г, м/мин	Насосная установка					Диаметры гидроцилиндров стрелы Dц , мм				Механизм вращения платформы		Масса подъёмника Gп , кг
					Мощность двигателя, Nдв кВт	Число оборотов двигателя n дв,мин^-1	Передат. число привода насоса iн	Рабочий объём насоса Qн ,см^3
									1-е колено		2-е колено	3-е колено	Раб. объём мотора Qм , см^3		Передат. число редуктора iред
1	АГП-12.02/2	100	12	8,5	84	3200	1,6	50	300		140	-	210		200		1500
2		150	10	8,5	84	3200	1,6	50					210		200		1500
3		200	8	8,5	84	3200	1,6	50					210		200		1500
4		250	6	8,5	84	3200	1,6	50					210		200		1500
5	АГП-18/2	200	18	9	95	3200	1,3	75	300		140		210		250		1600
6		300	15	9	95	3200	1,3	75					210		250		1600
7		350	12	9	95	3200	1,3	75					210		250		1600
8	АГП-18.02/2	200	18	9	132	2100	1,4	75					210		250		1600
9		300	15	9	132	2100	1,4	75					210		250		1600
10		350	10	9	132	2100	1,4	75					210		250		1600
11	АГП-22/2	200	22	11	132	2100	1,4	100	300		140		210		250		1700
12		250	20	11	132	2100	1,4	100					210		300		1700
13		300	15	11	132	2100	1,4	100					210		300		1700
14	АГП-22.03/2	200	22	10	158	1900	1,2	100	300		140		300		300		1700
15		250	20	10	158	1900	1,2	100					300		350		1700
16		300	18	10	158	1900	1,2	100					300		350		1700
17	АГП-22.04/2	200	15	11	158	1900	1,2	100	300		140		300		350		1650
18		300	12	11	158	1900	1,2	100					300		350		1650
19	АГП-28/3	200	28	11	176	1700	1,1	100	300		140	120	2х210		250		1850
20		250	25	11	176	1700	1,1	100				120	2х210		250		1850
21		300	20	11	176	1700	1,1	100				120	2х210		250		1850
22	АГП-36/3	200	36	7,2	176	1700	1,1	100	300		140	120	2х210		350		1900
23		300	32	7,2	176	1700	1,1	100				120	2х210		350		1900
24		400	24	7,2	176	1700	1,1	100				120	2х210		350		1900
25	ВС-18-МС	200	18	7,2	95	2200	1,5	100	300		140		320		230		1560
26	ВС-22-МС/2	200	22	7,2	95	2200	1,5	75	300		140		320		230		1560
27		250		7,2	95	2200	1,5	75					320		280		1560
28	ВС-22-МС/2	250	22	7,2	132	2100	1,5	75	300		140		320		280		1560
29	ВС-26-МС/2	200	26	7,2	158	1700	1.5	1,1	100		300		310		300		1650
30		250	26	7,2	176	1700	1,1	100	300		140		320		280		1750

Пример расчёта

Исходные данные: Масса груза G = 300 кг, высота подъёма H = 22 м, скорость подъёма люльки V_г = 10 м/мин, число колен стрелы z = 2,

масса поворотной части подъёмника G_п = 1600 кг.

Насосная установка: N_дв = 130 кВт, n_дв = 2000 мин^-1, передаточное число привода насоса i_н = 1,2; рабочий объём насоса Q_н = 100 см³ .

Диаметры гидроцилиндров: 1-го колена D_ц1 = 300 мм;

2-го колена D_ц2 = 140 мм.

Механизм вращения платформы:

рабочий объём гидромотора Q_м = 210 см³ ,

передаточное число редуктора привода гидромотора i_ред = 250.

Расчёт

1. Максимальные усилия на штоках гидроцилиндров

P_ш = G * i ,

где i – передаточное отношение рычажной системы «люлька – шток» зависит от вылета и высоты подъёма (Рис. 1в), обычно i_max= 150 … 200. Принимаем i₁= 200; i₂= 150 соответственно для 1-го и для 2-го колена.

P_ш1 = 300 * 200 = 60000 Н,

P_ш2 = 300 * 150 = 45000 Н.

2. Давление в гидроцилиндрах

p_ц = P_ш / (πD²/4),

где D_ц – диаметр гидроцилиндра.

Давление в гидроцилиндре 1-го колена

p_ц1 = P_ш1 / πD_ц1²/4 = 60000/(3.14*300² /4) = 0,85 МПа.

Давление в гидроцилиндре 2-го колена

p_ц2 = P_ш2 / πD_ц2²/4 = 45000/(3.14*140² /4) = 2,92 МПа.

3. Крутящий момент на валу гидромотора

М_м = (G+G_м)*g*f* r_тр / (i _ред * η_ред ) ,

где: i _{ред ,} η_ред – передаточное число и кпд редуктора привода гидромотора; в нашем случае i _ред = 250; η_ред = 0,9 ;

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²

f – коэффициент трения в подшипнике и зубчатой передаче опорно-поворотного устройства (ОПУ) платформы; f = 0,04 …0,06;

r_{тр –} радиальная координата силы трения (радиус трения), в среднем для ОПУ кранового типа r_тр = 0,5 м.

М_м = (300+1600)*9,81*0,05*0,5/(250 * 0,9) = 2,07 Н*м .

4. Давление в гидромоторе

p_{м =} (М_м π/30)/ Q_м ,

Q_м - рабочий объём гидромотора.

p_м = (2,07*3,14/30)/(210*10^-6 ) = 928 Па

5. Давление насоса

p_н = ( p_ц1 + p_ц2 + p_ц3 + p_м ) / η ,

η – общий кпд гидропривода; η= 0,7.

p_{н =} (0,85+2,92+0,000928)/0,7 = 5,39 МПа

6. Крутящий момент на валу ДВС при одновременной работе механизмов подъёмника

М_дв = (30/π) p_н Q_н /( i_н * η_н,),

где Q_н , i_н , η_н, ,- рабочий объём насоса, передаточное отношение и кпд коробки отбора мощности привода насоса; η_н, = 0,85.

М_дв = (30/3,14)*5,39* 10⁶ *100 *10^-6/(1,2* 0,85) = 5048,7 Н*м.

7. Производительность насоса

q_н = Q_н n_н ,

Q_н , n_н – рабочий объём и частота вращения вала насоса, мин^-1 , n_н = n_дв / i_н = 2000/1,2 = 1667 мин^-1 ,

q_н = 100* 10^{-6 *} 1667 = 0,167 м³ /мин = 167 л/мин.

8. Максимальные скорости штоков гидроцилиндров

Максимальные скорости штоков гидроцилиндров получаются при расходе гидроцилиндра, равном производительности насоса, т.е. при работе в данный момент времени только одного потребителя (другие потребители отключены).

V_ш = q_н / (πD_ц ²/4),

V_ш1= 0,167/(3,14*0,3² /4) = 2,365 м/мин = 0,039 м/с,

V_ш2= 0,167/(3,14*0,14² /4) = 10,84 м/мин = 0,18 м/с.

9. Скорости штоков гидроцилиндров при одновременной их работе

При включённых гидроцилиндрах и при отсутствии регулирования давления и расхода жидкости, подаваемой насосом, скорость потока жидкости от насоса равна скорости штоков

V_н = q_н / (πD_ц1 ²/4 + πD_ц2 ²/4),

V_ш = V_ш1 = V_ш2 = V_н = 0,167/(3,14*0,3² /4 + 3,14*0,14² /4) = 2,07 м/мин = 0,034 м/с.

10. Скорость подъёма люльки

Скорость подъёма люльки определяется суммой проекций скоростей штоков гидроцилиндров на вертикаль. С высотой подъёма, при одновременном выдвижении штоков, определённым образом увеличивается вертикальная составляющая скорости, но одновременно уменьшается передаточное отношение рычажной системы. Перемещения, скорости и ускорения точек рычагов и люльки определяется длинами звеньев шарнирных четырёхзвенников. При отсутствии регулирования подачи жидкости в гидроцилиндры, люлька будет перемещаться одновременно по вертикали и по горизонтали с переменной скоростью.

Полностью разделить вертикальное и горизонтальное движение люльки, при одновременно работающих гидроцилиндрах, затруднительно. Поэтому разделяют только движения колен, включая и выключая их гидроцилиндры.

В нашем случае скорость 1-го гидроцилиндра в 4,5 раза ниже скорости 2-го цилиндра, при разнице усилий на штоках в 1,5 раза. Если считать рабочие перемещения колен одинаковыми, то время подъёма люльки на заданную высоту будет определяться скоростью 1-го гидроцилиндра. После достижения 1-м гидроцилиндром крайнего положения и его отключения, скорость подъёма значительно возрастает и ограничивается требованиями безопасности.

Теоретическая скорость подъёма груза может быть найдена по формуле

V_г = V_ш * i ,

где i – передаточное отношение рычажной системы.

Считая i постоянным, получим максимальное значение скорости подъёма груза:

на 1-ом этапе подъёма V_г1 = 2,365 * 200 = 473 м/мин = 7,9 м/с;

на 2-ом этапе подъёма V_г2 = 10,84 * 150 = 1626 м/мин = 27.1 м/с.

Из гидравлики известно, что при скорости потока жидкости выше 6 м/с, возможна турбулизация потока и соответствующие потери мощности.

В этой связи, а также по условиям безопасности, выпускаемые промышленностью автогидроподъёмники имеют скорость подъёма люльки в пределах 7,2 … 11 м/мин.

Таким образом, рассматриваемый подъёмник обладает существенным запасом по скорости подъёма груза, но нерациональным распределением её по гидроцилиндрам колен стрелы.

11. Максимальная частота вращения платформы

Максимальная частота вращения платформы соответствует полной подаче насоса, при отключенных гидроцилиндрах

n_п = q_н / (Q_м * i_ред ) ,

n_п = 0,167/(210*10 ^-6 * 250) = 3,18 мин^-1 .

12. Мощность на штоках гидроцилиндров при заданном грузе

N_ц = P_ш * V_ш ,

Наибольшая потребляемая мощность:

на 1-ом гидроцилиндре N _ц1 = P_ш1 * V_ш1 = 60*0,039= 2,34 кВт,

на 2-ом гидроцилиндре N _ц2 = P_ш2 * V_ш2 = 45*0,18 = 8,1 кВт,

Мощность на штоках при одновременной работе гидроцилиндров:

N _ц = (P_ш1 + P_ш2 )* V_н = (60+45)* 0,034 = 3,57 кВт.

13. Мощность на валу гидромотора

N_м = М_м * πn_м /30,

n_м – максимальная частота вращения гидромотора, мин^-1 , n_м = q_н / Q_м = 0,167/(210*10^-6 ) = 795,2 мин^-1 .

N_м = 2,07 * 3,14 * 795,2 / 30 = 172,3 Вт

14. Мощность на валу двигателя (дизеля):

• при работе гидроцилиндра 1-го колена

N_дв1 = N _ц1 /(η* η_н ) = 2,34 / (0,7*0,85) = 3,93 кВт,

где η – общий кпд гидропривода; η= 0,7;

η_н – кпд привода (коробки отбора мощности) насоса; η_н = 0,85.

• при работе гидроцилиндра 2-го колена

N_дв2 = N _ц2 / (η* η_н ) = 8,1 / (0,7*0,85) = 13,61 кВт

• при работе механизма поворота

N_дв3 = N_м / (η_* η_н ) = 172,3 /(0,7*0,85) = 289,5 Вт = 0,289 кВт

• при параллельной работе гидроцилиндров 1-го и 2-го колена

N_дв4 = N _ц / (η*η_н ) = 3,57/(0,7*0,85) = 6 кВт

ВЫВОДЫ

В выводах необходимо указать на необходимость или на отсутствие необходимости:

• подпитки основного гидронасоса для компенсации возможного снижения скорости подъёма груза;

• применения предохранительных и редукционных клапанов в гидросистеме;

• предохранения гидроагрегатов и дизеля от перегрузки.

Анализируя полученные результаты, приходим к следующим выводам:

1. Мощность двигателя подъёмника (130 кВт) значительно превышает мощность, необходимую для работы подъёмного механизма при любом сочетании рабочих движений стрелы (0,289 … 13,61 кВт).

2. Наибольшая мощность потребляется при работе гидроцилиндра 2-го колена (13,61 кВт), наименьшая – при повороте платформы (0,289 кВт).

3. При параллельной работе механизмов скорости гидроцилиндров падают с 2,365 и 10,84 м/мин до 2,07 м/мин, из-за существенно различных диаметров гидроцилиндров (300 и 140 мм), при близких значениях передаточных отношений рычажных систем колен стрелы.

4. Для синхронизации скоростей движений колен стрелы необходимо ввести дроссель в систему питания цилиндра 1-го колена с коэффициентом регулирования, равным отношению площадей цилиндров.

5. Давление в гидросистеме (5,39 МПа) значительно ниже номинального (10 МПа), поэтому предохранительный клапан необходим для насоса.

6. Для повышения скоростей подъёма и опускания люльки желательно увеличить максимальную производительность насоса. Для чего установить регулируемый или дополнительный подпиточный насос.