Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Гидродомкрат с ручным приводом

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Сургутский институт нефти и газа (филиал)

Кафедра: Эксплуатация транспортно-

технологических машин

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Гидравлические и пневматические системы»

Тема: «Гидродомкрат с ручным приводом»

Выполнил: студент АТХзс-10

Принял: : доцент, канд. техн. наук

Некрасов В.И.

г. Сургут 2012 г.

Введение 3

1. Объёмный гидропривод 4

1.1 Схема и устройство гидродомкрата с ручным приводом 4

1.2 Работа гидродомкрата с ручным приводом,

основные параметры объёмного гидропривода 5

2. Расчет гидродомкрата с ручным приводом 8

2.1 Задание – исходные данные 8

2.2 Расчет гидродомкрата с ручным приводом без учета КПД 8

2.3 Расчет гидродомкрата с ручным приводом с учетом КПД 12

2.4 Расчет и построение графика зависимости силы поршня

гидродомкрата при изменении механического передаточного числа 15

2.5 Расчет и построение графика зависимости силы поршня

гидродомкрата при изменении гидравлического передаточного числа 16

Заключение 17

Список литературы 18

ВВЕДЕНИЕ

Цель контрольной работы – закрепить знания в области гидропривода, приобрести навыки расчетов механических и гидравлических устройств, ощутить взаимосвязи между элементами этих устройств, рассчитать гидродомкрат с ручным приводом с учетом основных параметров объёмного гидропривода: рабочий объём, подача, давление, мощность, коэффициент полезного действия и т.д.

При выполнении контрольной работы недостаточно простого выполнения математических действий, необходимо внимательно контролировать проставляемые в формулы физические значения, их величины и размерности, последовательность расчетов, анализировать полученные результаты.

Все познаётся в сравнении.

Учебная дисциплина «Гидравлические и пневматические системы» основана на курсах: «Устройство автомобилей», «Основы конструкции ТТМ», «Гидравлика» и создает основу для изучения следующих специальных дисциплин.

1.ОБЪЁМНЫЙ ГИДРОПРИВОД

1.1.Схема и устройство гидродомкрата с ручным приводом

Гидродомкрат предназначен для подъёма грузов, с последующей их фиксацией в поднятом состоянии с помощью различных упоров для обеспечения безопасности при выполнении ремонтных работ и технического обслуживания транспортно-технологических машин, а также других машин и оборудования.

Гидродомкрат с ручным приводом (рис. 1) состоит из рычага 1 ручного привода, плунжера 2 объемного насоса, поршня 3 гидравлического двигателя поступательного движения, масляного бака 4.

Рис.1. Схема гидродомкрата с ручным приводом

1 – рычаг ручного привода, 2 – плунжер гидронасоса, 3 – поршень гидродвигателя, 4 – масляный бак, 5 – гидроцилиндр насоса, 6 – гидроцилиндр двигателя, 7 - всасывающая магистраль, 8 – напорная (нагнетательная) магистраль, 9 – дополнительная магистраль слива, 10 и 11 – обратные клапаны, 12 – запорный вентиль, 13 – серьга рычага.

Плунжер 2 установлен в гидроцилиндре 5 насоса, а поршень 3 в гидроцилиндре 6 двигателя. Масляный бак 4 и гидроцилиндры 5 и 6 объединены трубопроводами 7, 8 и 9, которые называются гидролиниями. На гидролиниях 7 и 8 установлены обратные клапаны 10 и 11, которые выполняют функцию распределителей потока и обеспечивают непрерывность действия насоса 2 домкрата. Клапан 10 пропускает рабочую жидкость по трубопроводу 8 только в направлении от цилиндра 5 к полости цилиндра 6, а клапан 11 – по трубопроводу 7 от бака 4 к цилиндру 5.

Полость цилиндра 6 соединена дополнительной гидролинией 9 с баком 4. В гидролинии 9 установлен запорный вентиль 12, который перекрывает эту линию при работе насоса. Гидролиния 7, соединяющая бак 4 с насосом 2, называется всасывающей, а гидролиния 8, соединяющая насос 2 с гидродвигателем 3 – напорной. Рычаг 1 соединен с плунжером 2 серьгой 13, обеспечивающей их совместную работу без защемления.

Работа гидродомкрата с ручным приводом,

основные параметры объёмного гидропривода

Оъёмный гидропривод – это совокупность объёмных гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубоприводов) и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости.

Принцип действия объёмного гидропривода основан на малой сжимаемости капельных жидкостей и передаче давления в них по закону Паскаля – давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точка этой жидкости и по всем направлениям одинаково.

Гидравлические машины служат для преобразования механической энергии в энергию перемещаемой жидкости (насосы) или для преобразования гидравлической энергии потока в механическую энергию (гидравлические двигатели – гидромоторы, которых может быть несколько).

Гидроаппаратура – это устройства управления гидроприводом, при помощи которых он регулируется, а также средства защиты его от чрезмерно высоких и низких давлений жидкости. К гидроаппаратуре относятся дроссели, клапаны разного назначения и гидрораспределители – устройства для изменения направления потока жидкости.

Вспомогательные устройства – это так называемые кондиционеры рабочей жидкости, обеспечивающие её качество и состояние. К ним относятся различные отделители твердых частиц, в том числе фильтры, теплообменники (нагреватели и охладители жидкости), гидробаки, а также гидроаккумуляторы.

Перечисленные элементы связаны между собой гидролиниями, по которым движется рабочая жидкость.

Принцип действия объёмных гидромашин основан на попеременном заполнении и опорожнении ограниченных пространств (рабочих камер), периодически сообщающихся с местами входа и выхода рабочей жидкости.

При перемещении рукоятки рычага 1 вверх серьга 13 поднимает плунжер 2 в гидроцилиндре насоса 5. Рабочая жидкость из бака 4 по всасывающей магистрали 7 и обратному клапану 11 поступает в подплунжерное пространство. Обратный клапан 10 напорной магистрали 8 в это время закрыт.

Если приложить силу F₁к наконечнику рычага 1, то серьга 13 передаст усилие F₂ на плунжер 2. Рабочая жидкость под давлением p₂ преодолевает сопротивление обратного клапана 10 и по нагнетательному каналу 8 поступает в гидроцилиндр двигателя 6. Обратный клапан 11 и запорный вентиль 12 в это время закрыты.

Если пренебречь потерями давления в системе, то по закону Паскаля давление в цилиндрах 5 и 6 будет одинаковым и равным

р = F₂/S₂= F₃/S₃,

где S₂ и S₃– площади поршней цилиндров 5 и 6.

Совершая неоднократные движения рычагом 1 на величину h₁, перемещаем плунжер 2 на величину h₂, перекачиваем рабочую жидкость из бака 4 в цилиндр гидродвигателя 6, где, преодолевая силу F₃, перемещаем поршень 3 на величину h₃.

Если открыть запорный клапан 12, то рабочая жидкость по дополнительной магистрали 9 перетекает из цилиндра гидродвигателя 6 в масляный бак 4.

При ходе плунжера 2 насоса из одного крайнего положения в другое объем жидкости в цилиндре 5 изменяется на величину

q₂ = h₂S₂;

где h₂ - ход плунжера 2, S₂ - площадь гидроцилиндра 5 насоса.

Этот объем определяет теоретическую подачу насоса за один рабочий ход и называется рабочим объёмом.

В насосах, где входное звено совершает не возвратно-поступательное, а непрерывное вращательное движение, рабочим объемом гидромотора называют подачу за один оборот вала.

Рабочий объем насоса служит его основным параметром и указывается в технической характеристике. Он измеряется в дм³ (литрах) или см³, обозначается q.

q = h₂ (p d₂²) / 4 = h₃ (p d₃²) / 4; (1)

h₂d₂² = h₃d₃² ; V₂d₂² = V₃d₃²; (2)

h₂ / h₃= d₃² /d₂² = V₂ /V₃; (3)

где d₂, d₃ – соответственно диаметр плунжера 2 и диаметр поршня 3; V₂, V₃ – скорость плунжера и поршня; h₃ – ход поршня 3.

Для гидроприводов подобного типа хода плунжера насоса и поршня исполнительного цилиндра обратно пропорциональны квадратам диаметров их цилиндров (плунжеров, поршней) или рабочим площадям. Скорость плунжеров (поршней) также обратно пропорциональна их рабочим площадям, так как их перемещения происходят в одно и то же время.

Произведение рабочего объема «q» на число рабочих ходов или оборотов входного вала насоса «n» в единицу времени есть теоретическая подача насоса, она измеряется в дм³/с или л/мин и служит одним из основных параметров гидропривода, так как определяет скорость исполнительных механизмов, она обозначается Q.

Q = q n = V₂ S₂ = V₃ S₃. (4)

К основным параметрам также относится рабочее давление жидкости «р», оно указывается в технической характеристике.

р = F / S; F_{2 =}p S₂; F₃ = p S₃; (5)

F₃ / F₂= (p S₃) / (p S₂) = d₃² / d₂² = (d₃ / d₂)². (6)

Т.е. сила F₃ во столько раз больше силы F₂ , во сколько площадь поршня 3 гидродвигателя больше площади плунжера 2 насоса или отношения диаметров поршня и плунжера в квадрате.

Сопоставив соотношения (6) и (3), получим

F₃ /F₂= h₂ / h₃ = (d₃/ d₂) ² = U_г. (7)

Это соотношение обратной пропорциональности представляет собой гидравлическое передаточное число U_Г = (d₃/ d₂) ² гидропривода с гидродвигателем поступательного движения. Оно аналогично механическому передаточному числу U_М = l₁/ l₂ простого рычага. Если к длинному концу рычага 1 приложить силу F₁, то этим рычагом можно преодолеть силу F₂, во столько раз большую силы F₁, во сколько раз короткое плечо рычага l₂ меньше длинного l₁. А путь (ход плунжера) h₂ во столько раз меньше пути h₁, во сколько раз короткое плечо рычага меньше длинного. Это правило рычага представляется также в виде обратной пропорциональности, т.е.

F₂ / F₁= h ₁/ h ₂ = l₁/ l₂ = U_М. (8)

Механические потери складываются из потерь на трение в подшипниках, сальниках (уплотнениях), поршней и т.п. о жидкость; они учитываются механическим КПД. Механический КПД выражает влияние потерь на трение в механизме на эффективность его работы и для гидродомкрата с ручным приводом (без учета потерь поршня 3 гидродвигателя) равен

h_м = N₂/ N₁; (9)

где N₁ = F₁V₁; N₂= F₂V₂ = p₂Q₂ - соответственно мощность на рукоятке рычага 1 и на плунжере 2 гидронасоса.

Объемные потери оцениваются объемным КПД и определяются утечками жидкости из напорной полости через зазоры между рабочим органом и корпусом гидромашины. Для большинства поршневых насосов h_о = 0,85 – 0,98.

Гидравлические потери возникают в рабочих органах гидромашины и представляют разность между теоретическим и действительным давлением жидкости. Гидравлические потери оцениваются гидравлическим КПД. Гидравлические КПД, определяемые потерями напора в клапанах, находятся в пределах h_г = 0,8 – 0,9.

Общий, или полный, КПД гидромашины представляет собой произведение КПД механического, объемного и гидравлического. Полный КПД характеризует степень совершенства конструкции гидромашины в механическом и гидравлическом отношениях. В насосах современных конструкций (без учета механического привода) h_м = 0,9 – 0,97; h_о = 0,95 – 0,98; h_г = 0,9 – 0,95. Максимальный полный КПД крупных современных насосов – h_п = 0,92; для малых и средних насосов – h_п = 0,5 - 0,75. При перекачке жидкостей, отличающихся по вязкости от воды, КПД может быть ниже. В гидроцилиндрах с резиновыми кольцевыми уплотнениями h_м = 0,85 – 0,95; h_о = 0,98 – 0,99; h_г » 1,0.

При выполнении расчетов необходимо обращать внимание на анализ размерностей физических величин. Например,

N = p Q = F V = T w;

где N – мощность, Вт = Нм/с; p – давление, Па = Н/м²; Q – подача жидкости, м³/с; F – сила, Н; V – линейная скорость, м/с; T – крутящий (вращающий) момент, Нм; w - угловая скорость, 1/с.

Подставляя размерности физических величин, получим –

N (Нм/с) = p Q (Н/м²)(м³/с) = Нм/с = F V (Н)(м/с) = T w (Нм/с).

2. РАСЧЕТ ГИДРОДОМКРАТА С РУЧНЫМ ПРИВОДОМ

2.1 Задание – исходные данные

Определить основные параметры (силы, давления, мощности, рабочие объемы, подачи, скорости и т.д.) на различных участках системы, а также толщину стенки цилиндра гидродвигателя при двух вариантах:

идеальный (условный) – КПД 100 %;

2. реальный, с учетом КПД.

Дано: F₁ = 50 H; V₁= 0,6 м/с; h₁ = 70 мм; l₁= 250 мм ; l₂ = 25мм; d₂= 8 мм; d₃ = 160 мм; h_м= 0,90; h_о= 0,95; h_г= 0,95.

Определить: S₂, S₃, U_м , U_г, U_п, F₂, р, F₃, V₂, V₃, h₂, h₃, q₂ , Q₂, Q₃ , N₁, N₂ , N₃, t, s, V_т, Re, q₃ , Q_б; h_п, F_2р, р_{2
р}, N_2р , р_3р, F_3р , V_3р, Q_3р , N_3р , t_3р, s_3р, t_3рмах, t¢_3рмах, s¢_3рмах.

2.2. Расчет гидродомкрата с ручным приводом без учета КПД

Определяем площадь плунжера гидронасоса

S₂ = pd₂²/4 = 0,785 d₂² = 0,785 ´ 8²= 50,2 мм² =

= 50,2 ´ 10^-6м².

где d₂ - диаметр плунжера, мм.

Определяем площадь поршня гидродвигателя

S₃ = pd₃²/4 = 0,785 d₃² = 0,785 ´ 160²= 20096 мм².

где d₃ - диаметр поршня, мм.

Определяем механическое передаточное число рычага ручного привода

U_м = l₁/l₂ = 250/25 = 10.

где l₁ и l₂– плечи действия сил F₁ и F₂соответственно, мм.

Определяем гидравлическое передаточное число

гидравлической силовой передачи

U_г = S₃/ S₂ = 20096/50,2 = 400;

U_г = (d₃/d₂)² = (160/8)²= 400.

Определяем полное (общее) передаточное число устройства

U_п = U_м U_г = 10 ´400 = 4 000.

Определяем силу, действующую на плунжер гидронасоса,

F₂= F₁U_м = 50 ´10 = 500H.

Рассчитываем давление рабочей жидкости в системе

р = F₂/ S₂ = 500/(50,2´10^-6) = 9,96´10⁶ Па =

= 9,96 МПа;

Расчет удобно вести в Н и мм², так как 10⁶ компенсируются.

Определяем силу, действующую на поршень

гидродвигателя,

F₃= F₂U_г = 500 ´400 = 200 000 H = 200 кН;

F₃= F₁U_п = 50 ´4 000 = 200 000 H;

F₃= р S₃ = 9,96´20096 = 200 000 Н = 200 кН.

(МПа ´ мм²= Па ´ м² = Н/м² ´ м²= Н)

Определяем скорость перемещения плунжера гидронасоса

V₂ = V₁/ U_м = 0,6/10 = 0,06 м/с = 60 мм/с.

где V₁– скорость перемещения рукоятки рычага, м/с.

Определяем скорость перемещения поршня

гидродвигателя

V₃ = V₂/ U_г = 0,06/400 = 0,00015 м/с;

V₃ = V₁/ U_п = 0,6/4 000 = 0,00015 м/с = 0,15 мм/с.

Определяем ход (величину перемещения) плунжера гидронасоса

h₂ = h₁/ U_м = 70/10 = 7 мм.

где h₁– ход рукоятки рычага, мм.

Определяем ход поршня гидродвигателя

h₃= h₂ / U_г = 7/400 = 0,017 мм.

Определяем рабочий объем гидронасоса

q₂= q₃= S₂ h₂= 50,2´ 7 = 351,4 мм³= 0,351 см³.

Определяем разовую подачу гидронасоса при

рабочем ходе

Q₂= V₂ S₂ = 60 ´50,2 = 3012 мм³/с = 3,01 см³/с.

Q₃= V₃ S₃ = 0,15 ´20096= 3014мм³/с.

Рассчитываем мощность на рукоятке рычага ручного привода

N₁= F₁V₁ = 50 ´0,6 = 30 Вт.

Рассчитываем мощность создаваемую плунжером

гидронасоса

N₂= F₂V₂ = 500 ´60 = 30000 Вт;

N₂ = p₂Q₂= 9,96 ´ 3,01 = 29,97 кВт.

где p₂–давление жидкости в системе, МПа; Q₂– подача рабочей жидкости, см³/с. (10⁶H/м² ´ см³/с = Н/м² ´ м³/с = Нм/с).

Рассчитываем мощность создаваемую поршнем

гидродвигателя

N₃= F₃V₃ = 200 000 ´0,00015 = 30 Вт.

Рассчитываем толщину стенки цилиндра гидродвигателя

t = pd₃/(2[s]) = 9,96 ´160 / (2 ´ 157) = 5,075 мм

» 5,0 мм.

где [s] - допускаемое напряжение в стенках цилиндра гидродвигателя, МПа; [s] = s_т/ n, для цилиндра из стали 35 - [s] = s_т/n=314/2=157 МПа, n = 2 – коэффициент запаса прочности.

Выполним проверочный расчет прочности

гидроцилиндра

s = (D₃²+d₃²)p/(D₃²-d₃²) =

= (170²+160²)9,96/(170²-160²) =164,5 МПа.

где D₃ = d₃+ 2 t = 160 +2´ 5 = 170 мм – наружный диаметр гидроцилиндра.

Полученный результат не превышает допускаемое напряжение, для гарантии прочности гидроцилиндра необходимо увеличить толщину стенки или применить более прочный материал – сталь 40 - [s] = s_т/ n = 333/2 =166,5 МПа.

s =164,5 МПа £ [s] = 166,5 МПа.

Условие обеспечения прочности гидроцилиндра

выполнено.

20. Рассчитываем скорость потока жидкости в трубопроводе напорной магистрали

V_т = Q₂/S_т = 4Q₂/(pd_т²) = Q₂/(0,785 d_т²) =

= 3000/(0,785 ´2²) = 955 мм/с = 0,9 м/с.

где d_т = 2 мм – внутренний диаметр трубопровода.

Рассчитываем безразмерное число Рейнольдса и определяем характер течения жидкости в напорной магистрали

Re = d_т V_т / n = 2 ´ 955/6 =318,3.

(мм ´ мм/с) / (мм²/с)

где n = 6,0 мм²/с – кинематическая вязкость рабочей жидкости.

Если число Рейнольдса меньше 2 200, то движение потока рабочей жидкости ламинарное.

Определяем полный объем цилиндра гидродвигателя при максимальном ходе поршня, равном 100 мм,

q_{3
max}= S₃h _max = 20096 ´100 = 2009600 мм³ =

= 2009 см³= 2,09 дм³ = 2,1 л.

Рассчитываем объем масляного бака

Q_б = 1,5(q_{3 max} + q_т) = 1,5 ´2,1 » 3,15 л.

где q_т– вместимость трубопроводов, шлангов, насоса и вспомогательных устройств гидросистемы. При малой величине объемов перечисленных устройств условно примем q_т » 0.

Вместимость масляного бака должна превышать полную вместимость гидросистемы не менее чем в полтора раза для компенсации утечек рабочей жидкости и сохранения в баке определенного уровня жидкости над отверстиями подводящих и отводящих трубопроводов, исключения возможности вспенивания масла и смешения его с воздухом.

2.3 Расчет гидродомкрата с ручным приводом с учетом КПД

Мощность при передаче энергии в системе снижается.

Определяем полный (общий) КПД технической системы

h_п= h_общ = h_мh_оh_г= 0,90 ´ 0,95 ´ 0,95 = 0,812.

где h_м= 0,90 – механический КПД системы; h_о= 0,95 – объёмный КПД системы; h_г= 0,95 – гидравлический КПД системы.

Определяем реальную силу, действующую на плунжер гидронасоса,

F_2р= F₂h_м= 500 ´0,9 = 450 H.

Рассчитываем реальное давление рабочей жидкости под плунжером гидронасоса

р_2р = F_2р/ S₂ = 450/50,2 = 8,96МПа.

Рассчитываем реальную мощность создаваемую плунжером гидронасоса

N_2р= F_2р V₂= 450 ´0,06 = 27 Вт;

N_2р= p_2р Q₂= 8,96 ´ 3,01 = 26,96 Вт.

Проверим результаты расчетов по механическому КПД

h_м= N_2р/ N₁ = 27/30 = 0,9.

Полученный результат соответствует заданным условиям.

Определяем реальное давление рабочей жидкости на поршень гидродвигателя

р_3р= р_2рh_г = 8,96 ´ 0,95 = 8,51 МПа.

7. Проверим полученный результат по произведению механического и гидравлического КПД

h_мh_г= 0,9 ´ 0,95 = 0,855;

р_3р / р = 8,51/9,96 = 0,855.

Результат правильный.

Определяем реальную силу, действующую на поршень гидродвигателя с учетом потери давления жидкости

F_3р= F_2рh_гU_г = 450 ´ 0,95 ´400 = 171000H = 171 кН;

F_3р= р_3р S₃ = 0,855 ´20096 = 17182Н = 17,1 кН.

(МПа ´ мм²= Па ´ м² = Н/м² ´ м²= Н)

Определяем реальную скорость поршня гидродвигателя с учетом утечек жидкости

V_3р= (V₂ h_о)/ U_г= (0,06´0,95)/100 = 0,00057 м/с.

10. Определяем реальную подачу рабочей жидкости гидродвигателя с учетом её утечек

Q_3р= Q₃ h_о = 3.01 ´ 0,95 = 2,85см³/с.

11. Рассчитываем реальную мощность создаваемую поршнем гидродвигателя

N_3р= F_3р V_3р= 17182 ´0,00057 = 9,79 Вт; ?

N_3р= p_3р Q_3р= 8,51 ´ 2,85 = 24,25 Вт.?

Проверим результаты расчетов по полному КПД

h_п= N_3р/ N₃ = 24,25/30 = 0,808.

Полученный результат соответствует ранее рассчитанному значению.

Рассчитываем толщину стенки цилиндра гидродвигателя при реальном давлении жидкости

t_3р = (p_3рd₃)/(2[s]) = 8,51 ´160 / (2 ´ 166,5) =

= 4,08 мм » 4,1 мм.

где [s] - допускаемое напряжение в стенках цилиндра гидродвигателя, МПа; [s] = s_т/ n; для цилиндра из стали 30 – s_т= 294 МПа; из стали 35 - s_т= 314 МПа, из стали 40 - s_т= 333 МПа; из стали 45 - s_т= 353 МПа; из стали 20Х - s_т= 637 МПа; 30Х - s_т= 686 МПа; 40Х - s_т= 785 МПа; 18ХГТ - s_т= 883 МПа. Коэффициент запаса прочности принимают n = 2. Для цилиндра из стали 45 - [s] = s_т/ n = 353/2 = 176,5 МПа.