Гидропривод. 2

1 Описание работы и свойств гидравлической передачи

Машина  имеет рабочий орган РО поступательного действия. Прин-ципиальная гидравлическая схема передачи изображена на чертеже ГП.М312.014.00.00 Г3.

Гидропередача привода РО разомкнутая. При перемещении распределителя Р1 из нейтрального в рабочее положение напорная линия насоса Н1 соединяется с поршневой полостью гидроцилиндра Ц1, вследствие чего шток гидроцилиндра Ц1 выдвигается. При перемещении распределителя Р1 в дру- гую рабочую позицию напорная линия насоса Н1 соединяется со штоковой по- лостью, шток втягивается.

Управление  распределителем Р1 гидравлическое. Оно регуляторами дросселирующих клапанов Р2 и Р3 с мускульным управлением. При пере- ключении распределителя Р2 в рабочую позицию масло, подаваемое насосом Н1, перемещает распределитель Р3 в рабочую позицию, при котором шток гидроцилиндра Ц1 выдвигается. При переключении распределителя Р3 в ра-бочую позицию масло перемещает распределитель Р1 в рабочее позицию, при котором шток гидроцилиндра Ц1 втягивается. Если распределители Р2 и Р3 закрыты, то распределитель Р1 находится в нейтральной позиции.

Отводящие линии распределителей Р1 и Р2 линиями обратной связи соединены  с полостями под нижними торцами  их золотников. По мере роста давления в отводящей линии золотник дозирующего  распределителя переме- щается вверх, подача масла под торец силового золотника прекращается.

Для большего перемещения силового золотника  и увеличения окна распределителя Р1 оператор увеличивает силу нажатия  и угол поворота ру- коятки джойстика.

Для того, чтобы при заглохании двигателя  и неработающих насосах перевести распределитель Р3 в рабочую позицию и разгрузить гидроцилиндр Ц1, к напорной линии питания сервоуправления А1 подсоединен гидроаккумулятор АК.

Гидроцилиндр  Ц1 имеет блок вторичной защиты содержащий А2, КП1, КП2, КО1, КО2, предназначенный для защиты гидропередачи от реак-

тивных, температурных  и инерционных при торможении перегрузок. Необ-ходимость вторичной защиты вызвана тем, что при перемещении распреде- лителя Р1 в нейтральную запирающую позицию первичная защита разобще- на с линиями, находящимися после распределителя Р1. Шток гидроцилиндра Ц1 и рабочий орган РО по инерции продолжают движение. Создается давле- ние, превышающее номинальное, в линиях, находящихся после распредели- теля Р1.

 

Наличие двух предохранительных клапанов во вторичной защите

даёт возможность  настроить их на разные давления.

           Передача имеет насос управляемый  регулятором с клапанами отсечки  по давлению и поддержанию  постоянного перепада давления  на кромке золотника распределителя. Насос с таким регулятором  обеспечивает постоян- ство скорости гидроцилиндра при изменении нагрузки и переводит насос в режим почти нулевой подачи при недопустимо большой нагрузке.

          Клапан К1 при недопустимо большом  давлении в напорной линии  на-

соса направляет это давление под нижний поршень  регулятора подачи РП. В результате объем и подача уменьшаются до минимальных значений, доста- точных для восполнения дренажных утечек в гидросистеме. Поэтому в такой передаче первичная защита не нужна.

К клапану  К2 подведены две линии управлении: одна – из напорной линии насоса до дроссилирующего  распределителя Р1, другая из напорной линии  за этим распределителем.

           Пружина клапана К2 поджата  на величину, обеспечивающую задан- ную разность давления в этих линиях (входе и выходе Р1). Клапан К2, управ- ляя регулятором и подачей насоса, автоматически поддерживает заданный перепад давления, и как следствии, постоянные расход масла через распреде- литель и скорость гидроцилиндра при изменении нагрузки и давления.

С целью охлаждения жидкости в схеме  установлен теплообменный аппарат АТ, при прохождении через который жидкость отдает тепло в окру- жающую среду. При низкой температуре термостат ТС направляет гидравли- ческое масло в бак, минуя АТ. Таким образом, при низкой температуре МГ прогревается.

Для очистки масла от процессов  износа и других загрязнителей в  гид- ропередаче предусмотрен фильтр Ф1. По мере засорения фильтра его про- пускная способность уменьшается, а перепад давления увеличивается. Устройство фильтра имеет предохранительный клапан. Когда давление достигает настройки предохранительного клапана, масло попадает в бак, ми- нуя фильтрующей элемент.

Для контроля температуры в баке установлен термометр  Т.

В гидропередаче установлен термостат. Основная задача которого блокировать поток охлаждающей жидкости в радиатор, пока двигатель не разогрелся. Когда двигатель холодный, через него не проходит охлаждающая жидкость. Но когда температура достигнет операционной термостат от- крывается. Клапан позволяет двигателю разогреться быстрее, тем самым  уменьшая износ двигателя и вредные выхлопы. Термостат сделан из латуни и меди. Принцип работы термостата кроется в маленьком цилиндре, который находится со стороны, повернутой в сторону двигателя. В этом цилиндре

находится шарик церезин, который начинает плавиться при температуре выше 75ºС. Церезин выбран потому, что он может значительно расширяться, так как под действием тепла переходит из твердого в жидкое состояние. Штырь вдавлен в цилиндр с церезином и соединен с клапаном. Когда церезин плавится, он зна- чительно расширяется и выдавливает штырь из цилиндра, тем самым открывая клапан. Через открытый термостат проходит охлаждающая жидкость в радиатор. Когда двигатель отключается, он остывает, и церезин в термостате застывает, снова становится твердым.         

Заправка гидросистемы рабочей  жидкостью. По окончании сборочных работ в гидросистему заливают рабочую жидкость требуемой марки и в нужном объеме. Содержание воды в ней не допускается. Очистка от механических примесей проводится на специальных установках. Рабочая жидкость фильтруется. Тонкость фильтрации не должна быть больше той, которая обес- печивается самым "тонким" фильтром, установленным в гидросистеме. Надеж- ность гидропривода напрямую зависит от чистоты рабочей жидкости, поэтому при заправке необходимо предохранять масло от загрязнений на различных тех- нологических этапах. Заправка должна проводиться заправочными станциями с ручным или механизированным приводом. Преимуществом заправочных стан- ций является наличие резервуара, предохраняющего масло от загрязнения в процессе транспортирования, хранения и заливки, приемных и напорных фильтров тонкой очистки, обеспечивающих необходимую тонкость фильтрации при заправке. Заправка объемного гидропривода делится на три этапа. На первом масло заливается в корпус гидромашины, а воздух удаляется дренажной сис- темой. На втором этапе осуществляется заливка рабочей жидкости в гидробак до верхнего уровня. На третьем этапе заправляется гидросистема. При этом про- водят пробные пуски объемного гидропривода на холостых режимах при мини- мальной частоте вращения приводного вала.

2 Предварительный расчет объемного гидропривода

 

Рис. 1. Расчетная схема к предварительному расчету гидропередач

 

2.1 Мощность привода рабочего органа;

,Вт, [1]:

                                              ,                                                                 (1)

где - сила на рабочем органе, - скорость рабочего органа,[м/с].

 кВт

2.2 Выбор  насоса

Необходимая мощность на валу насоса; ,Вт, [1]:

 ,                                            (2)

где – КПД привода насоса, = 0,97; – КПД насоса, = 0,9; – КПД от насоса до гидродвигателя и до бака, = 0,95; – КПД гидроцилиндра, ; – КПД привода рабочего органа, = 0,97;

Мощность на валу насоса для , кВт:

 кВт,

.По источнику [1] выбраны два насоса марки 313.3.250

Таблица 2- Характеристики насоса

Параметры	РО
Марка насоса	313.3.250 (регулируемый)
Рабочий объем,	250
Номинальное давление,	20
Номинальная частота вращения вала,	16
Максимальная частота вращения вала,	25
Минимальная частота вращения вала,	6,7
Номинальная производительность насоса, л/мин	228
Номинальная мощность насоса на валу,	82,5
КПД полный	0,9
КПД объемный	0,95

 

2.3 Выбор электродвигателя

Необходимая мощность электродвигателя; , кВт, [1]:

 ,                                            (3)

где Р₁, Р₂-мощность на валу электродвигателя 1 и 2 элемента цикла, кВт;

t₁ и t₂- время 1 и 2 цикла, с; t_ц - продолжительность цикла, с.

 кВт.

По источнику  [1] выбраны два электродвигателя марки А250М4

Таблица 2- Характеристики электродвигателя

Марка двигателя	Завод-изготовитель	Номинальная мощность Рд, кВт	Номинальная частота вращения вала nд, об/с
А250М4	Ярославский электромоторный	90	24

 

2.4 Частота вращения вала насоса

Она вычисляется из условия обеспечения необходимой мощности на валу насоса; , об/с, [1]:

,                                                       (4)

где – необходимая мощность на валу насоса, Вт; –  номинальное давление, Па; –  полный КПД насоса; – объемный КПД насоса; – рабочий объем насоса, м³ (т.к. 2 насоса то рабочий объем равен 2 )

 

22 ≤ 25

2.4.1 Передаточное отношение механической передачи между электродвигателем и насосам

                                                        (5)

2.4.2 Производительность  насоса;

, м³/с, [1]:

                                                  (6) 

.

2.5 Выбор трубопроводов

Внутренний диаметр: d_вн вычисляем из условия, [1]:

                                                      (7)

где d_вн – внутренний диаметр, м; Q – пропускаемый расход, м³/с; – скорость потока жидкости, м/с.

2.5.1  Расчет трубопровода для напорной линии

Рекомендуемая скорость МГ в напорной линии _{= 5} м/с; [1]:

Минимальная толщина стенки из условия прочности толстостенного трубопровода [1], м:

  ,                                         (8)

 где допускаемое напряжение на разрыв, ; максимальное давление жидкости,

                                                                                                         (9)

где предел прочности, МПа (был выбран материал сталь 45 для которой

Принято стандартное значение

2.5.2  Расчет трубопровода для сливной линии

Рекомендуемая скорость МГ в напорной линии

=2 м/с; [1]:

2.5.3  Расчет трубопровода для линии всасывания

Рекомендуемая скорость МГ в напорной линии

=1 м/с; [1]:

2.6 Выбор  гидроцилиндра 

По циклограмме задано время работы РО: t = 5с, скорость движения РО:

_{Требуемая скорость рабочего органа больше максимальной скорости штока и  требуемое перемещение  рабочего органа больше максимального хода штока. В данном случае, шток соединяется с рабочим органом, посредством уско- ряющей передачи (передаточное отношение} u_про<1)

Соблюдая условия, [1]:

  ;                                            (10)

        ;                                             (11)

                                               

.                                                 (12)

Нашли необходимую скорость штока =0,25 м/с,

 

2.6.1 Диаметр поршня гидроцилиндра,

, м, [1]:

,                                                 (13)

где F_шт – сила на штоке, Н; p_ном – номинальное давление, Па; – гидромеханический КПД цилиндра.

Таблица 3- Характеристики гидроцилиндра

Диаметры поршня D  и штока d, мм		Ход поршня, мм
D	d
220	110	1250

 

2.7 Выбор гидравлического масла

Температурные пределы работы от -40 до +25˚C. Выбор рабочей жидкости осуществляется на основании соблюдения допустимой вязкости. Для возможности работы гидропередачи в зимнее и летнее время выбрано гидравлические всесезонное масло фирмы ТНК марки МГ15В, [5].

2.8. Выбор  распределителя, фильтра и предохранительных клапанов

2.8.1 Выбор распределителя Р1

Характеристики распределителя:

1 Число линий – 4,

2 Количество позиций – 3,

3 Центр – открытый,

           4 Расход – 105 л/мин,

5 Давление жидкости – 20 МП,

6 Управление – гидравлическое.

По источнику  [1] выбран распределитель

Таблица 4- Характеристики распределителя

Тип  распределителя	P1
Диаметр условного перехода, мм	20
Расход рабочей жидкости, л/мин:
номинальный	180
максимальный	700
Номинальное давление в напорной линии, МПа	32

 

2.8.2 Выбор фильтра

Характеристики фильтра:

   1 Тонкость фильтрации – 25 мкм,

   2 Расход ,

   3 Максимальное давление жидкости – p_max = 0,63 МПа.

По источнику [1] выбран фильтр

Таблица 5- Характеристики фильтра

Марка  фильтра	Тонкость  фильтрации, мкм	Номинальный  расход, л/мин
1.1.50-25	25	250

 

2.8.3 Выбор предохранительных клапанов

Выбираются  предохранительные клапаны исходя из условий максимального давления и расхода жидкости в защищаемой линии.

Таблица 6- Характеристики предохранительных клапанов

Наименование	КП1,КП2	КП3	КП4
	510.20
Условный проход, мм	20
Давление на входе, МПа: - номинальное - максимальное - минимальное	40 50 1
Диапазон регулирования давления, МПа	от 1 до 50
Расход рабочей жидкости, л/мин: - номинальный - максимальный   - минимальный	250 400   10
Максимальные внутренние утечки при  номинальном давлении, л/мин	0,14

 

3 Проверочный статический расчет 

3.1 Расчет  потерь давления

Для выполнения расчета составлена расчетная схема, на которую нане- сены все линейные и местные сопротивления на пути «насос – гидроцилиндр - бак». Путь масла от места соединения насоса с напорным трубопроводом

 

(точка  1) до окончания сливного трубопровода (точка 35) разбит на три под-  участка: насос – гидроцилиндр (Н - гд); гидроцилиндр – сливная линия (гд – сл.л.); сливная линия – бак (сл.л. - Б). Сливная линия начинается в месте соеди- нения всех сливных линий, идущих от всех распределителей.

Рис. 2. Расчетная схема для определения потерь давления

на пути «насос – гидроцилиндр– бак»:

1, 2, 4, 5, 6, 7,  9, 10, 12, 13, 15, 16, 17, 18, 20, 22, 24, 24, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 40, 41, 42, 43, 45 – соединения; 3, 30, 44, 47 – крестовины; 8, 11, 14, 19, 22, 25, 39, 44 – тройники; 46 – выход в бак; L – повороты

3.1.1 Линейные  потери

,                                                 (14)

где  – коэффициент потерь давления по длине; l и d – длина и внутренний диаметр трубопровода,  м; – плотность жидкости, кг/м³; – средняя по по- перечному сечению потока скорость жидкости,  м/с.

         Формула  (14) справедлива для ламинарного  и турбулентного течений, но  величина для каждого из них определяется по-разному. Характер течения определяется по числу Рейнольдса:

,                                                   (15)

где – средняя по поперечному сечению потока скорость жидкости,  м/с; d – внутренний диаметр трубопровода,  м; – кинематическая вязкость,  м²/с.

Учитывая  пристеночное охлаждение жидкости, а  также местные макронеровности  для жестких трубопроводов при  ламинарном течении величину определяют:

,                                                     (16)

При турбулентном течении:

                                                           (17)

 

_{Расчет скорости на участках; υ, м/с, [1]:}

                                                            (18)

Движение  жидкости на всем пути гидропередачи  имеет турбулентный характер, так  как Re > 2320, [1]:

Приняты длины трубопроводов:

l_Н-ГЦ=5 м, l_ГЦ-СЛ.Л=4 м, l_СЛ.Л-Б=5 м.

 

3.1.2. Местные потери

                                                                                (19)

где – плотность жидкости, кг/м³; – скорость потока жидкости, м/с; – сумма коэффициентов местных сопротивлений ( 0,1 – для штуцеров; 0,2 – тройников, крестовин; 20 – для распределителя; 60  – для фильтра и теплообменного аппарата; 1  – для выхода сливного трубопровода в бак; 0,5  – для поворотов).

Таблица 7- Потери давления гидропередачи

Марка рабочей жидкости МГ-15В. Температура жидкости в гидросистеме +50 . Кинематическая вязкость жидкости 15,2 мм2/с. Плотность жидкости 854 кг/м3.
Участок	l, м	d, м	, м/с	Re		Характер потерь	,МПа	,МПа
Насос - гидроцилиндр	5	0,052	4,95	16900	0,028	Линейные	0,028	0,272
						Местные	0,245
Гидроцилиндр – сливная линия	4	0,082	2	10800	0,031	Линейные	0,0026	0,06
						Местные	0,038
Сливная линия - бак	5	0,116	1	7630	0,034	Линейные	0,0032	0,0912
						Местные	0,088

3.2 Сила и  мощность на выходе гидроцилиндра

3.2.1 Сила на штоке гидроцилиндра;

, Н, [1]:

                      (20)

3.2.2 Требуемая для рабочего органа мощность; , Вт, [1]:

                                                  (21)

_{4 Расчет параметров тепловой защиты гидропередачи}

_{4.1 Исходные данные  расчета}

Температура жидкости Т_уст = +50^оС, а температура окружающей среды    Т_в = +20^оС. Продолжительность цикла t_ц = 8с. Продолжительность работы за первый цикл t₁ = 5 с, продолжительность работы за второй цикл t₂ = 3 с. Мощность на входе насоса: P_Н =174 кВт.

4.2 Параметры  бака

Выбор бака производен из условия, что машина в предремонтном сос- тоянии КПД понижен на 20% и перекачивает масло насосом за 2 минуты (120 секунд).

Объем бака; V_Б, м³, [1]:

                                                 ₍₂₂₎

_{Площадь поверхности  бака; АБ, м², [1]:}

                                                     (23)

4.3 Параметры теплообменного аппарата

Площадь теплообменника АТ вычислена из условия получения желаемой установившейся температуры РЖ:

Т_у = Т_в + 0,95 Р_П / (k_Т А_Т +  k_Б А_Б+ ∑ k_Э А_Э ) ,                                 (24)

где k – коэффициент теплопередачи, k_Т = 30 Вт/(м²·^оС), k_Б = 10 Вт/(м²·^оС); 

A – площадь поверхности, м²; Т_в – температуры  воздуха, ^оС; Р_П – мощность теплового потока, поступающего в гидропередачу, кВт.

,                                                (25)

где t_i – продолжительность работы в цикле i-ой передач;t_ц – продолжительность рабочего цикла; η_i – полный КПД передачи; Р_вхi – номинальная мощность i – ой передачи.

,                                          (26)

где – КПД привода насоса, = 0,97; – КПД насоса, = 0,9; – КПД от насоса до гидродвигателя и до бака, = 0,95; – КПД гидроцилиндра, ; – КПД привода рабочего органа, = 0,97;

Мощность на валу насоса для , кВт:

С учетом износа аппаратов гидропередачи КПД понижены на 20%.

                                          (27)

4.4 Производительность вентилятора

Производительность  вентилятора определена из равенства мощностей теплового потока, отдаваемой жидкостью и получаемой воздухом:

cρQ(T_T^вх – T_T^вых) = c_в ρ_в Q_в (T_в^вых – T_в),                             (28)

где (Т_Т^вх - Т_Т^вых) – разность температуры РЖ на входе и выходе АТ; T_в^вых - T_в – разность температуры воздуха на выходе и входе АТ; с_в, r_в и Q_в – удельная теплоемкость, плотность и искомый расход воздуха (с_в » 1010 Дж/(кг°×С);  r_в » 1,2 кг/м3).

Величина (Т_Т^вх - Т_Т^вых) вычисляют из условия чтобы теплообменник рассеивал приходящую на его долю мощность теплового потока Р_Т

cρQ (Т_Т^вх - Т_Т^вых) = Р_П –( k_Б А_Б+∑ k_Э А_Э) (Т_у - Т_в)                                 (29)

_{ТВ  < TВ^вых  < Tт^вых ≈ Ту}

Т_т^вых = 50˚C

Температура воздуха на выходе T_в^вых принята 50˚C.

                                          (30)

4.5 Время  достижения установившейся температуры              

                         

                                                   (31)

сумма произведений теплоемкости с_j на массу m_j элементов сис- темы (масла и деталей); - сумма произведений коэффициента теплопе- редачи k_i  на площадь поверхностей элементов гидропередачи.

 Величину m определяют из соотношения, [2]:

m_д=5m_МГ

где m_МГ – масса масла в системе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  использованных источников

  1 Мокин Н.В., Маслов Н. А. Гидравлические машины, аппараты и приводы. Методические указания к выполнению контрольной и курсовой работы. Новосибирск, 2007. 59 с.

2 Мокин Н.В. Гидравлические и пневматические приводы: Учебное пособие Новосибирск, 2012. 174 с.