Расчет основного оборудования многочерпакового снаряда

Расчет основного оборудования многочерпакового снаряда

1. Расчет основного оборудования землесоса

1.1    Исходные данные

Производительность землесоса по грунту:

Длина плавучей части напорного грунтопровода:

Тип грунта: песок.

Расходная консистенция смеси по грунту с порами:

Необходимо определить:

расход водогрунтовой смеси;

диаметры напорного и всасывающего грунтопроводов;

потребный напор при работе землесоса на смеси;

основные размеры грунтового насоса;

мощность главного двигателя.

1.2    Определение расхода смеси

Расходная консистенции смеси по пористому грунту принимается равной 15 %. Отсюда расход смеси находится по формуле:

1.3    Определение диаметра напорного грунтопровода

Диаметр напорного грунтопровода находится из условия критической скорости движения смеси, то есть скорости, отвечающей началу выпадения твердых частиц из воды. Ориентировочное значение этой скорости при консистенции определяется по эмпирической формуле:

Далее при расчете технологии гидротранспорта значение критической скорости уточняется с учетом принятого значения диаметра напорного трубопровода и крупности частиц грунта.

Формула для определения диаметра напорного трубопровода имеет вид:

Полученное значение округляем до ближайшего стандартного значения по ГОСТу в меньшую сторону и принимаем

.4 Определение диаметра всасывающего грунтопровода

С целью уменьшения средней скорости движения гидросмеси во всасывающем грунтопроводе диаметр последнего делают на 10% больше, чем диаметр напорного грунтопровода, то есть: . Это делают, чтобы предотвратить развитие в насосе явления кавитации и уменьшить потери на трение во всасывающей части грунтопровода. Увеличение диаметра на 10 % приводит к уменьшению средней скорости гидросмеси на 21%. Полученное значение диаметра всасывающего грунтопровода не округляется.

Землесос изображен на рис.1

.5 Определение напора

Напор - количество энергии, которое передает рабочее колесо одному килограмму жидкости, выраженное в метрах водяного столба. Полный напор, развиваемый грунтовым насосом при работе на смеси, определяется равенством:

Где атмосферное давление;

давление на входе в насос;

давление в выходном патрубке насоса;

ускорение свободного падения;

плотность смеси;

плотность частиц грунта;

плотность воды;

объемная действительная консистенция смеси.

Известно, что расходная консистенция меньше действительной и разность между ними возрастает по мере приближения скорости смеси к критической. Чтобы иметь запас в мощности двигателя, напор, который подставляется в формулу мощности, вычисляется при наибольшей встречающейся в практике консистенции смеси . Этой расходной консистенции по пористому грунту при отношении  отвечает относительная плотность смеси . Далее будем использовать последнюю величину в расчетах напора, развиваемого насосом, и при определении мощности двигателя. Напор, расходуемый в напорном грунтопроводе, складывается из трех частей:

1) работа по подъему смеси от оси насоса до центра выходного отверстия грунтопровода;

) потери энергии по длине грунтопровода;

) потери энергии в местных сопротивлениях грунтопровода.

Расчетная формула имеет вид:

Где геодезический подъем.

Высота подъема возрастает с диаметром напорного грунтопровода: принимаем . Потери энергии по длине при работе на воде определяются по формуле Дарси, а при работе на смеси они увеличиваются пропорционально плотности смеси:

Где коэффициент трении;

скорость смеси в напорном грунтопроводе:

общая длина напорного грунтопровода;

длина плавучей части грунтопровода;

длина корпусной части грунтопровода;

диаметр напорного грунтопровода;

коэффициент гидравлического трения.

Для определения коэффициента гидравлического трения  необходимо знать режим сопротивления, которых четыре:

1.  сопротивление при ламинарном движении жидкости (потери напора зависят главным образом от физических свойств жидкости, то есть от плотности и вязкости жидкости);

2.      режим гидравлически гладких труб (здесь вязкий ламинарный подслой перекрывает шероховатость труб; потери напора зависят главным образом от свойств жидкости);

.        переходный режим (потери зависят от высоты выступа шероховатости и от свойств жидкости) ;

.        режим гидравлически шероховатых труб (потери зависят от высоты выступа шероховатости).

Грунтопроводы землесосов отшлифованы. Средняя высота выступов шероховатости невелика: . Поэтому они работают главным образом в режиме гидравлически гладких труб. Для определения  можно воспользоваться упрощенной формулой А.Д. Альтшуля:

Где средняя высота выступов шероховатости

диаметр напорного грунтопровода;

кинематический коэффициент вязкости воды, при температуре 10 Со.

Местные потери находятся по формуле:

Где сумма коэффициентов местных сопротивлений в корпусной части грунтопровода, сосредоточенных в трех изгибах напорного грунтопровода (коленах);

число шаровых соединений в корпусной части грунтопровода, вычисляемое по выражению:

коэффициент сопротивления одного шарового соединения;

местные сопротивления в шаровых соединениях;

коэффициент сопротивления на выходе потока из трубы.

Полный напор, расходуемый в напорном грунтопроводе, получается равным:

Полный напор, расходуемый во всасывающем грунтопроводе, складывается из следующих частей:

1)      работа по подъему твердых частиц от дна водоема до свободной поверхности воды

Где ТС=6м - глубина опускания всасывающей трубы;

2)      работа по подъему смеси от свободной поверхности воды до центра насоса:

возвышение центра насоса над уровнем воды;

3)      потери энергии на трение, определяемые в следующей последовательности:

а) средняя скорость движения воды во всасывающем грунтопроводе:

б) длина всасывающего грунтопровода:

в) число Рейнольдса:

г) коэффициент трения:

д) потери энергии на трение

4)      местные потери энергии, которые состоят из:

а) потерь в щели всасывания, то есть в стесненном пространстве между зевом наконечника и откосом грунта: ,

б)потерь на входе в трубу:

где

в) потерь в шаровом соединении наклонной части грунтопровода с его горизонтальной частью:

Где коэффициент сопротивления одного шарового соединения

Полный напор, расходуемый во всасывающем грунтопроводе, выражается равенством:

Следовательно, потребный напор при работе землесоса на смеси равен:

.6 Определение основных размеров грунтового насоса

При определении размеров грунтового насоса исходят из заданной производительности и рассчитанного значения напора, развиваемого насосом при работе на гидросмеси.

Диаметр  входного отверстия в переднем диске рабочего колеса принимается равным внутреннему диаметру всасывающего грунтопровода . Число лопастей рабочего колеса подсчитывается по эмпирическому соотношению:

Расстояние между лопастями по дуге окружности входного отверстия:

где: коэффициент, учитывающий стеснение входа толщинами лопастей.

Расстояние между дисками (ширина лопастей) берется по условию проходимости камней округлой формы таким же, как и расстояние между лопастями:

Частоту вращения  рабочего колеса следует принимать по данным о существующих землесосах: при .

Расход воды, пропускаемый рабочим колесом насоса, определяется по формуле

где: объемный КПД насоса (зависит от типа насоса и качества его исполнения).

Расход рабочего колеса насоса больше транзитного расхода насоса (подачи) вследствие поступления в колесо жидкости через зазор между передним диском и корпусом насоса.

Значение числа оборотов , расхода  и напора позволяют вычислить коэффициент быстроходности:

Для определения внешнего диаметра рабочего колеса используют связь между отношением D2/D1 и коэффициентом быстроходности ns:

1.7    Определение мощности главного двигателя землесоса

Мощность на валу грунтового насоса определяется по формуле:

где: сумма напоров, расходуемых во всасывающем и напорном грунтопроводах землесоса;

общий КПД насоса;

объемный КПД;

гидравлический КПД, учитывающий потери энергии при движении воды внутри насоса (в рабочем колесе и корпусе);

механический КПД, учитывающий трение в подшипниках и сальнике насоса;

Полученное значение мощности на валу грунтового насоса вместе с числом оборотов служат основой для выбора двигателя. При этом выборе вводят также запас на случайные перегрузки.

В заключении строится схематический разрез в диаметральной плоскости рабочего колеса и корпуса насоса.

грунтовой насос черпаковый барабан

2. Расчет основного оборудования многочерпакового снаряда

.1 Исходные данные

Производительность снаряда по грунту:

Наибольшая глубина черпания:

Объемный вес грунта в естественном состоянии:

Тип грунта: песок.

Необходимо определить:

-основные размеры черпакового устройства (черпак, цепь, барабаны, рама) мощность черпакового двигателя.

Примечание: Шаландовый способ транспортирования извлеченного грунта наиболее характерен для многочерпаковых земснарядов. Этот способ позволяет транспортировать любые грунты, в том числе и сильно засоренные, и укладывать их на каком угодно расстоянии от прорези. Удалять грунт шаландами можно как в воду, так и на берег с использованием шаландоразгружателей. Недостаток способа - необходимость использования специальных судов, самоходных или буксируемых, называемых грунтоотвозными шаландами, требующие дополнительных штатов и довольно высоких эксплуатационных расходов.

.2 Расчет черпака

Геометрическая емкость черпака определяется по формуле:

Где коэффициент увеличения объема грунта, взрыхляющегося при заполнении черпаков.Зависит от типа грунта и плотности залегания;

коэффициент среднего заполнения черпаков;

число опоражнивающихся черпаков в минуту;

число граней на ведущем барабане.

Липкие глины очень трудно и не полностью вываливаются из черпаков на верхнем барабане. Нередко опорожнение черпака происходит в то время, как он прошел грунтовый колодец и движется в перевернутом виде вниз, то есть грунт попадает на уже разработанную часть прорези. Плохая вываливаемость связных грунтов вынуждает снижать скорость черпаковой цепи, чтобы увеличить время нахождения черпака над колодцем, с одновременным уменьшением наполнения черпака. По данным практики, скорость черпаковой цепи снижается до 8 - 12 черпаков в минуту, а наполнение их до 0,4 - 0,6 их полной геометрической вместимости.

Основные размеры черпака устанавливаются с учетом рода разрабатываемого грунта в следующей последовательности:

1.      вычисляется величина внутреннего вылета козырька от спинки по формуле:

Где геометрическая емкость ковша;

коэффициент, равный отношению внутреннего вылета к ребру куба, обладающего емкостью черпака (принят для Сыпучих грунтов).

2.      выбор остальных величин осуществляется по формулам:

Для черпаков, предназначенных к работе на сыпучих грунтах, необходимо принимать менее высокие значения величин , ,  в сочетании с более низкой величиной .

Многочерпаковый снаряд изображен на рис. 3. Проекции черпака с размерами, определяющими его форму и емкость изображены на рис. 4.

.3 Расчет черпаковой цепи, рамы и барабана

Шаг звена цепи с учетом конструктивности черпака принимается в пределах:

Шаг черпаковой цепи при условии чередования черпаков и межчерпаковых планок (майонов) составляет:

Возвышение осей отверстий в полозках и в межчерпаковых планках над опорными плоскостями определяется соотношением:

Высота межчерпаковых планок:

Высота центра тяжести черпака, находящегося на верхнем барабане, над уровнем воды вычисляется по следующей формуле:

где: высота оси перекидного клапана над уровнем воды;

возвышение оси ведущего барабана над осью перекидного клапана;

высота центра тяжести грунта в полости черпака над осью ведущего барабана.

Высота оси перекидного клапана над уровнем воды может быть вычислена исходя из координат конечной кромки грунтового лотка, а именно по формуле:

где: расстояние от диаметральной плоскости до конечной кромки лотка;

высота кромки лотка над уровнем воды;

угол наклона лотка.(Величины определены для шаландового способа отвода грунта).

Возвышение оси ведущего барабана над осью перекидного клапана выбирается с учетом конструктивности:

где: коэффициент, принятый для шаландового способа отвода грунта.

Высоту центра тяжести грунта в полости черпака над осью ведущего барабана вычисляют по следующей формуле:

Где ордината центра тяжести черпака;

полувысота звена;

расстояние от оси верхнего барабана до оси звена (определяется из геометрических условий);

центральный угол, приходящийся на одну грань верхнего барабана.

Таким образом, высота центра тяжести черпака, находящегося на верхнем барабане, над уровнем воды равна:

Погружение оси нижнего барабана при наибольшей глубине черпания  составляет:

Где величина, аналогичная .

Расчетное расстояние между осями барабана определяется равенством

Где наибольший угол наклона черпаковой рамы к горизонту.

Длина бухты черпаковой цепи (от верхней до нижней точки подвеса):

Число черпаков на участках замкнутой цепи на каждом втором звене принимается:

1.      на верхнем барабане:

.        на нижнем барабане:

.        между осями барабанов

4.       в бухте черпаковой цепи

5.       в замкнутой цепи

Общая длина черпаковой цепи:

Элементы черпаковой цепи и барабана изображены на рис. 5.

Схема к определению высоты центра тяжести черпака над уровнем воды изображена на рис. 6.

.4 Определение мощности двигателя

Во время работы снаряда мощность расходуется на:

1.      срезывание и зачерпывание грунта (отделение его от массива);

2.      преодоление сопротивлений при заполнении черпаков;

.        подъем грунта в черпаках по черпаковой раме до верхнего барабана;

.        механические потери, возникающие в самом двигателе, передаточных механизмах и соединениях черпаковой цепи, а также при вращении черпаковых барабанов, подчерпаковых скатов;

.        преодоление сопротивления воды.

Эффективная мощность черпакового двигателя определяется по следующей формуле:

Где удельное сопротивление грунта при резании;

число черпаков в шлейфе, участвующих в резании грунта;

КПД передачи между двигателем и ведущим барабаном;

плотность грунта;

плотность воды.

Таким образом:

Проверка

Список использованной литературы

1.   «Технический флот», методические указания по выполнению курсовой работы К.В. Гришанин, СПб 1992г.

2.      «Водные пути», учебник. К.В. Гришанин, М 1986г.