3. конструкторская разработка. стенд для испытания водяных насосов.

3.1 Обоснование темы конструкторской разработки.

Эксплуатационная надежность тракторных и комбайновых ДВС во многом зависит от надежности работы системы его охлаждения. В частности от входящего в нее водяного насоса, предназначенного для создания принудительной циркуляции охлаждающей жидкости.

Из-за несложной конструкции, водяные насосы, в основном, ремонтируются в условиях ремонтной мастерской. Отремонтированный насос должен иметь рабочие характеристики при номинальной частоте вращения лопастного колеса (производительность по подаче и давлении жидкости на выходе) соответствующие техническим нормам. Вал насоса должен вращаться легко, без вибрации, при полной герметизации, т. е. отсутствии подтеканий жидкости. Только такой насос может считаться нормативно отремонтированным и устанавливаться на двигатель. При ремонте насоса часто используются комплектующие детали после дефектации бывших в эксплуатации насосов, а так же возможна не тщательная ремонтная сборка. Таким образом, отремонтированный насос необходимо подвергнуть гидравлическим испытаниям на соответствие нормам выше названных характеристик.

Послеремонтное испытание исключает технический риск в ремонте систем охлаждения, повышает эффективность ремонта всего ДВС, снижает экономические затраты ремонта ДВС, связанные с переустановкой водяного насоса в случае некачественного ремонта.

Из вышеизложенного следует, что завершать технологический процесс ремонта водяных насосов должны гидравлические испытания.

В связи с отсутствием в реконструируемой ремонтной мастерской соответствующего испытательного оборудования, было принято решение - в конструкторском разделе выполнить разработку стенда для гидравлического испытания водяных насосов ДВС.

При этом ставились условия: стенд должен обладать определенной универсальностью, т. е. позволял бы испытывать несколько моделей насосов, прост, удобен и безопасен в эксплуатации; обладать малой энергоемкостью.

Разработке конструкции стенда предшествовал обзор научно-технической и учебной литературы, патентной и рекламной информации. В результате установлено, что раннее, промышленностью России серийно выпускались стенды для обкатки водяных насосов следующих моделей: КИ-1803 и ОР-9822. В настоящее время промышленностью Украины подобные стенды не выпускаются. Они изготавливаются по отдельным заказам и по технической документации заказчика.

Из литературного описания отдельных моделей стендов видно, что они требуют совершенствования. Так, способ крепления насоса на стенде не механизирован, а выполняется резьбовыми деталями вручную.

Учитывая вышеизложенные технико-эксплуатационные требования в качестве прототипа разрабатываемой конструкции был выбран стенд для обкатки водяных насосов разработанный ЦКТБ объединения «Укрсельхоз техника», 1987г.

В качестве модернизированной разработки намечено выполнить механизацию процесса установки и закрепления водяного насоса на стенде.

3.2 Устройство и работа стенда для испытания водяных насосов

Стенд для испытания водяных насосов представляет собой стационарную установку общий вид стенда, его рабочие узлы и детали представлены на листах 4, 5, 6, 7.

Несущей частью стенда служит сварная рама, изготовлена из металлопроката стандартного профиля. Остовом рамы является цилиндр с вваренным дном и крышкой, который выполняет также роль резервуара для создания запаса воды, используемой для испытания насоса. В резервуаре вмонтирован теплоэлектронагревающий элемент, для подогрева воды при испытаниях. На цилиндре – резервуаре находится горизонтальная рама, на которой размещены рабочие узлы и управляющее оборудование.

Для установки на стенде испытываемого водяного насоса имеется зажимное устройство. Устройство состоит из вертикальной стойки, пневмоцилиндра и двух прижимных скоб. Пневмоцилиндр двухстороннего действия при давлении воздуха 0,4…0,6 МПа развивает усилие штока 6,6 кН. Ход штока 55 мм.

Пневмоцилиндр имеет сборную конструкцию, содержащую переднюю и заднюю крышки, цилиндр, поршень, шток. Крышки прижимаются к торцам цилиндра стягивающими шпильками. Места возможной утечки воздуха уплотнены резиновыми кольцевыми уплотнениями.

На конце штока шарнирно укреплены две скобы с помощью которых производится захват и закрепление водяного насоса. Путем применения сменных скоб различных размеров на стенд можно устанавливать и соответственно испытывать водяные насосы различных моделей. Например: ДВС-А-41; Д-240; СМД-20; СМД-60.

Для управления зажимным устройством в стенде предусмотрена пневмосистема. Источником сжатого воздуха пневмосистемы должна быть магистраль централизованной подачи с давлением воздуха 0,4…0,6 МПа.

Принципиальная схема используемой пневмосистемы представлена на листе графической части.

Управляющая пневмосистема содержит: входной распределяющий тройник, кран управления В71-23; фильтр - влагоотделитель В41-33М; манометр МТП 60/4-25х2,5, с предельным измеряемым давлением 2,5 МПа; регулятор давления 6В57-13; масло распылитель В44-23; кран управления В71-23 для изменения направления подачи воздуха в пневмоцилиндр. В качестве воздуховода в пневмосистеме используется медная трубка М2М16х1,5

ГОСТ 617-82.

Для привода водяного насоса во время испытаний используется трехфазный асинхронный электродвигатель 4А71В2У3 мощностью 1,1 кВт, с частотой вращения 2810 об/мин.

Вращение от электродвигателя к насосу передается клиновым ремнем типа II-19-12,5-1450. Передаточное число ременной передачи і=1,25. В приводе применено натяжное устройство рычажного типа с ручным управлением. Оно обеспечивает быстрое и удобное отсоединение ремня от шкива водяного насоса при его демонтаже.

На установочной пластине натяжного устройства вместо крепежных отверстий выполнены пазы, что позволяет менять положение двигателя и собственно положение ременного шкива при перемене модели испытываемого насоса.

Для гидравлических испытаний насоса в стенде предусмотрена гидравлическая система. Её принципиальная схема представлена на листе графической части. Испытательная гидросистема содержит резервуар для запаса воды емкостью 100 л; вентиль запорный; расходомер воды, для определения производительности испытываемого насоса; кран управления потоком воды; вентиль запорный, манометр жидкостный МТП-60/4-6,3х2,5 с пределом измерения 0,63 Мпа; кран пробковый спускной; поддон водосборный.

Для жестких водоводов использована стальная труба Ц-Р-32х2,8 ГОСТ 3662, для гибких водоводов использован резиновый рукав Б(I)-10-35-45 ГОСТ 18698.

Для наполнения гидросистемы в резервуаре предусмотрен входной штуцер-кран, а для слива воды – сливная пробка.

Стенд устанавливается на бетонный фундамент и крепится к нему четырьмя анкерными болтами М20, отверстия под которые выполнены.

Работает стенд следующим образом. Испытываемый гидравлический насос помещается на вертикальную стойку зажимного устройства. Зажимные скобы устройства сводятся к корпусу насоса так, чтобы крючок скобы находился в контуре корпуса. Поворотом золотника управляющего крана (рукояткой) сжатый воздух из пневмосистемы направляется в рабочую полость пневмоцилиндра. При этом поршень перемещается и выдвигает шток. В свою очередь шток, через шарнирное соединение, воздействует на зажимные скобы, перемещает их до соприкосновения крючков скоб с корпусом насоса. Далее происходит прижатие насоса к стойке и удержание его в рабочем положении. Регулятор давления, содержащийся в пневмосистеме стенда, выравнивает избыточное давление воздуха после прижатия насоса.

После прижатия насоса ремнем клиноременной передачи соединяются шкив насоса и шкив электродвигателя. Для этого ручным перемещением рычага натяжного устройства изменяется (уменьшается) межосевое расстояние между шкивами, клиновой ремень набрасывается на них и помещается в пазы, а затем электродвигатель с натяжным устройством возвращается в исходное положение.

К входному и выходному патрубкам закрепленного насоса подсоединяются резиновые рукава гидросистемы. Для предотвращения подтеканий используют обжимные хомуты.

Далее включением другого управляющего пневмокрана направляют сжатый воздух в резервуар с водой. Под действием давления 0,3…0,4 МПа вода из резервуара подается по трубопроводу в выходную полость испытываемого насоса, проходя через него, заполняет всю гидросистему. Одновременно с подачей воды к насосу включается приводной электродвигатель и рычагом натяжного устройства производится натяжение ремня. Таким образом, сообщается движение валу водяного насоса, т. е. вводят его в рабочее состояние. В магистраль выходного патрубка насоса параллельно подсоединен расходомер, который регистрирует производительность по перекачиваемой жидкости. Расходомер устроен и действует по поплавковому принципу. Он состоит из бака, поплавкового круга, центрирующего стержня на котором закреплена стрелка, передвигающаяся относительно шкалы. Шкала проградуирована в единицах измерения –л. Для выполнения замеров производительности насоса расходомер подключается и отключается краном управления.

Изменение производительности насоса вызывает изменение подачи жидкости и наполнение расходомера. При этом поплавковый круг опускается или поднимается соответственно производительности насоса, а стрелкой на шкале указывает количество жидкости поступившее в бак расходомера за определенный промежуток времени.

Испытания насоса длятся в течение 10…15 мин по режиму, приведенному в таблице 3.1

Таблица 3.1 Режимы обкатки и испытания водяных насосов ДВС

Частота вращения крыльчатки, об/мин	Продолжительность испытаний, мин	Перекачиваемая жидкость	Температура жидкости t, оС	Подача, л/мин	Противодавление в системе, Мпа
2300	10…15	вода	80…85	250…425	0,03…0,05

При этом также проверяется герметичность стыков корпуса и герметичность подшипниковых узлов по отсутствию подтекания.

По завершению испытаний отключается приводной электродвигатель. Снимается со шкивов приводной ремень клиноременной передачи. Отсоединяются гибкие рукава гидросистемы от входного и выходного патрубков насоса. Переключением управляющего крана изменяется направление подачи сжатого воздуха из предпоршневой полости пневмоцилиндра в запоршневую полость. При этом шток начинает втягиваться и снимается зажимающее усилие со скоб. Освобожденный от зажатия водяной насос снимается со стойки стенда.

3.3 Расчеты, подтверждающие работоспособность стенда

В настоящем разделе выполнены: выбор и обоснование рабочих (расчетных нагрузок); расчет мощности и выбор приводного электродвигателя, силовой расчет зажимающего насос устройства, прочностные расчеты основных деталей и узлов, определяющих надежность конструкции.

3.3.1 Расчет мощности и выбор электродвигателя

Расчетная мощность приводного электродвигателя определяется величиной требуемого напора в стенде, гидравлическим сопротивлением создаваемым испытываемому насосу гидросистемой стенда и коэффициентом полезного действия механической системы привода.

Полный напор насоса определяется по формуле [ ]:

где Dh=0,5 – расстояние между местами присоединения прибора в гидросистеме (см. конструкцию стенда);

Р=0,05 Мпа – величина противодавления в гидросистеме;

r=103кг/м3 – плотность воды.

Мощность насоса, требуемая для работы испытательной гидросистемы [ ]:

где Q=250…425 л/мин; - требуемая подача насоса при испытании [ ].

Требуемая мощность электродвигателя привода:

где hН – к. п.д. испытываемого насоса [ ];

hмех=0,7 к. п.д. привода двигателя с учетом типа передачи и способа натяжения ремня [ ];

Учитывая величину расчетной мощности электродвигателя и требуемой частоты вращения, в соответствии с режимом испытаний, выбираю электродвигатель трехфазный асинхронный 4А71В2У3 ГОСТ 19483 [ ] с мощностью на валу Ng=1,1кВт, частота вращения вала nв=2810 об/мин.

3.3.2 Расчет элементов привода

В механическом приводе испытуемого гидронасоса применяется клиноременная передача, в которой используется один приводной ремень с сечением соответствующим ременному шкиву испытуемого насоса.

Окружная сила в ремне от передаваемой нагрузки, [ ].

где к=1,5 – коэффициент динамичности;

- расчетная мощность привода.

Скорость движения ремня:

где nдв=2810 об/мин;

D1=100 мм – диаметр ведущего шкива.

Усилие, сдвигающее насос в процессе испытаний, определяется усилиями возникающими в ременной передаче. Оно равно, [ ]:

Q=2,5·Р=2,5·100=250Н

3.3.3 Расчет усилия зажатия насоса

Степень зажатия насоса в зажимном устройстве определяет надежность и безопасность эксплуатации стенда. Величина зажатия определяется условием:

F ³ Q;

где F – сопротивление сдвигу насоса в плоскости прижатия его к стойке зажимного устройства;

где К=1,7 – коэффициент надежности крепления;

- сила трения в стыке.

где - коэффициент трения в стыке;

- минимальное усилие прижатия насоса к стойке, развиваемое пневмоцилиндром.

где D = 260 мм - рабочий диаметр пневмоцилиндра (см. лист );

р=0,4 МПа – возможное минимальное усилие в пневмосистеме.

Таким образом, условие надежности зажатия насоса в приспособлении выполняется:

2244 = F > Q = 250H

Максимальное усилие создаваемое пневмоцилиндром:

где - возможно максимальное усилие в пневмосистеме.

3.3.4 Расчет на прочность деталей

Настоящие расчеты выполнены для наиболее ответственных деталей. Расчеты выполнены в виде проверочных, т. е. проверена прочность принятых конструктивных размеров.

3.3.4.1 Расчет прочности пальца шарнирного соединения

«поршневой шток-скоба»

Расчетная схема данного узла представлена на рисунке 3.1.

Из схемы видно, что разрушающей деформацией для пальца будет срез.

Условие прочности пальца:;

где - действующее напряжение среза в пальце;

- допускаемое напряжение среза для материала пальца Ст 3.

 

Рис. 3.1 Схема нагружения пальца шарнирного соединения.

Допускаемое напряжение [ ]:

- предел текучести для стали Ст. 3 [ ].

Действительное напряжение среза [ ]:

где S=6602H – усилие, развиваемое пневмоцилиндром (на штоке);

z=2 – число плоскостей среза;

dп= 17 мм – диаметр сечения пальца в плоскости среза.

Сравнивая допустимое и действительное напряжение среза в пальце видно, что условие прочности выполняется, т. е.:

.

3.3.4.2 Расчет прочности скобы зажимного устройства

Анализ конструкции скобы (лист 6) и характера нагружения скобы указывает, что работоспособность скобы будет определяться прочностью ее прижимного крюка. Расчетная схема этого элемента представлена на рисунке 3.2.

Рис. 3.2 Схема нагружения скобы.

Из схемы видно, что разрушающим будет напряжение изгиба в сечении А-А, имеющем наименьшие размеры.

Условие прочности скобы:

где - допускаемое напряжение изгиба для стали Ст. 3.

- действительное напряжение изгиба в опасном сечении А-А от рабочего усилия S/2.

Допускаемое напряжение [ ]:

где - предел текучести для стали Ст. 3 [ ].

Действительное напряжение изгиба:

где Миз – изгибающий момент в сечении А-А;

Wиз – момент сопротивления изгибу сечения.

Сравнивая допустимое и действительное напряжение изгиба в сечении А-А видно, что условие прочности выполняется, т. е.:

.

3.3.4.3 Расчет жесткости шпилечного соединения крышек пневмоцилиндра

Шпилечное соединение обеспечивает герметичность пневмоцилиндра. Расчетная схема данного соединения приведена на рисунке 3.3.

Исходная герметичность пневмоцилиндра обеспечивается предварительной затяжкой шпилек, стягивающих крышки. Однако под действием давления сжатого воздуха при недостаточной жесткости всего соединения возможно раскрытие стыков цилиндра и крышек, т. е. разгерметизация.

Рис. 3.3 Схема нагруженности деталей пневмоцилиндра.

Условие достаточной (против разгерметизации) жесткости стыка [ ]:

Р ≤ [P]

где [P] = 3,7 кН – допускаемая осевая нагрузка для предварительно затянутых болтов при неконтролируемой затяжке, при размере резьбы М12 и материале шпильки сталь Ст. 3.

Р – результирующая сила в шпильке от предварительной затяжки и внешней нагрузки.

где l = 0,25 – коэффициент жесткости соединения, зависящий от податливости шпилек и стягиваемых деталей;

Кст = 1,5 – коэффициент запаса против раскрытия стыка;

Z = 6 – число шпилек.

Так как условие достаточности жесткости выполняется, т. е.

2,3кН = Р < [P] = 3,7 кН.

то можно считать, что в процессе эксплуатации разгерметизация пневмоцилиндра не произойдет и зажатие испытываемого гидронасоса.

Выводы

Выполненные гидравлические, силовые и прочностные расчеты, подтверждают работоспособность стенда для испытания водяных насосов ДВС, а также обеспечивают эксплуатационную надежность его основных узлов.