Расчет параметров гидропривода
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. ОПИСАНИЕ ПРИНЯТОЙ ГИДРОСХЕМЫ
И ПРИНЦИПА РАБОТЫ
2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОПРИВОДА
2.1. Определение давлений в полостях нагнетания
и слива и определение диаметра поршня
силового гидроцилиндра
2.2. Определение диаметра поршня силового
цилиндра
2.3. Выбор гидроцилиндра
2.4. Определение расхода рабочей жидкости
и выбор насоса
2.5. Расчет диаметра трубопровода и скорости
движения жидкости
2.6. Подбор гидроаппаратуры
2.7. Описание выбранной гидроаппаратуры
2.8. Определение действительных перепадов
давлений
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ГИДРОПРИВОДА
4. РАСЧЕТ ОБЪЕМА ГИДРОБАКА
5. ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ
Список рекомендуемой
Введение
Гидропривод - это совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии. Обязательными элементами гидропривода являются насос и гидродвигатель.
Основное назначение гидропривода, как и механической передачи, - преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.).
Приводным двигателем насоса могут быть электродвигатель, дизель, ДВС и другие, поэтому иногда гидропривод называется соответственно электронасосный, дизельнасосный и т.д.
К основным преимуществам гидропривода относятся: возможность универсального преобразования механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки; простота управления и автоматизации; простота предохранения приводного двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок; широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена; большая передаваемая мощность на единицу массы привода; надежная смазка трущихся поверхностей при применении минеральных масел в качестве рабочих жидкостей.
К недостаткам гидропривода относятся: утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления; нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты; более низкий КПД (по приведенным выше причинам), чем у сопоставимых механических передач; необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в нее воздуха; пожароопасность в случае применения горючей рабочей жидкости.
При правильном выборе гидросхем и
конструировании гидроузлов некоторые
из перечисленных недостатков
Сейчас трудно назвать область техники, где бы ни использовался гидропривод. Эффективность, большие технические возможности делают его почти универсальным средством при механизации и автоматизации различных технологических процессов.
1. Описание принятой гидросхемы и принципа работы гидропривода
Гидравлическая схема привода бульдозера-рыхлителя представлена на рис.1. Схема состоит из бака, нерегулируемого гидромотора, трехпозиционного гидрораспределителя, регулируемого дросселя, гидроцилиндра, фильтра и предохранительного клапана.
Рис.1. Гидросхема привода
Принцип работы гидропривода согласно указанной схеме заключается в следующем. Из бака рабочая жидкость (масло) забирается насосом и подается к гидрораспределителю. В нейтральном положении золотника гидрораспределителя при работающем насосе на участке трубопровода между насосом и распределителем начинает увеличиваться давление, при этом срабатывает предохранительный клапан и жидкость сливается обратно в бак. При смене позиции золотника (нижняя позиция на схеме) открываются проходные сечения в гидрораспределителе, и жидкость начинает поступать в полость нагнетания гидродвигателя (поршневая полость гидроцилиндра). Из штоковой полости гидроцилиндров масло по гидролинии слива проходит через регулируемый дроссель, гидрораспределитель и, очищаясь фильтром, попадает на слив в бак.
Скорость поступательного движения штока гидроцилиндра регулируется дросселем. Реверсирование движения штока осуществляется путем переключения позиций гидрораспределителя. При обратном движении штока без нагрузки его скорость не регулируется и зависит от расхода рабочей жидкости в штоковой полости.
2. Расчет основных параметров гидропривода
2.1. Определение давлений в полостях нагнетания и слива и определение диаметра поршня силового гидроцилиндра
Согласно схеме гидропривода составим уравнения для давлений в полостях нагнетания гидроцилиндров P1 и в полостях слива P2. Для этого составим схему распределения давлений в гидросистеме.
Уравнения давлений P1 и P2 запишем в виде:
P1 = PH - ΔPзол 1 - ΔP2
P2 = ΔPДР - ΔPзол 2 - ΔPФ - ΔP2
где P1 - давление в поршневой полости
гидроцилиндра, МПа;
P2 - давление в штоковой полости
гидроцилиндра, МПа;
PН - давление, развиваемое насосом,
МПа;
ΔPзол 1 и ΔPзол 2 - перепады давлений на
гидрораспределителе, МПа;
ΔP1 и ΔP2 - перепады давлений в трубах l1 и l2, МПа;
ΔPДР - перепад давления на дросселе,
МПа;
ΔPФ - перепад давления на фильтре,
МПа.
Согласно [12, с.62] в зависимости от величины полезного усилии R=13 кН примем рабочее давление в гидросистеме, т.е. давление, развиваемое насосом PН будет равно 1,6 МПа. Перепады давлений на золотнике, дросселе и фильтре примем следующим образом:
ΔPзол 1 = ΔPзол 2 = 0,2 МПа;
ΔPДР = 0,3 МПа;
ΔPФ = 0,1 МПа.
Так как перепады давлений в трубах на первой стадии расчета определить нельзя, то примем предварительно ΔPзол 1 = ΔPзол 2 = 0,2 МПа. Тогда P1 и P2 будут равны:
ΔP1 = 1,6 - 0,2 - 0,2 = 1,2 МПа;
ΔP2 = 0,3 + 0,2 + 0,1 + 0,2 = 0,8 МПа;
2.2. Определение диаметра поршня силового цилиндра
Составим уравнение равновесия поршней силовых цилиндров, пренебрегая силами инерции:
P1F1 = P2F2 + R + T,
где F1 - площадь поршня со стороны
поршневой полости, м2;
F2 - площадь поршня со стороны
штоковой полости, м2;
R - усилие на штоках, кН;
T - сила трения, приложенная к поршню.
Сила трения T увеличивается с ростом давления жидкости в цилиндре. Ее можно определить по формуле
T = (0,02...0,1)R = 0,08 · 13 = 1040 кН.
Определим площади гидроцилиндра F1 и F2, используя соотношения
где υПР и υПХ -скорости поршня при рабочем и холостом ходе.
Преобразуем уравнение к виду
Расход жидкости, поступающий в
силовой цилиндр можно
Q = υП · F
Если расход жидкости, поступающий в силовой цилиндр при рабочем и холостом ходе одинаков, то
Q = υП · F1 и Q = υП · F2
поэтому
Из этих выражений следует
откуда
Следовательно, выражение площади поршня в штоковой полости примет вид:
Подставляя выражения площадей F1 и F2 в (2), сможем определить диаметр поршня
2.3. Выбор гидроцилиндра
Принимаем стандартный диаметр цилиндра D = 140 мм. По справочнику [6, с.90] выбираем гидроцилиндры общего назначения по ОСТ 22-1417-79 с номинальным давлением P* = 10 МПа (рис.3).
Рис.3. Поршневой гидроцилиндр двухстороннего
действия
по ОСТ 22-1417-79
Габаритные и
D |
S |
d |
d1 |
d2 |
b |
140 |
800 |
65 |
M52x1,5 |
65 |
55 |
Поскольку ход штока S = 10D, то его на продольный изгиб можно не проверять.
Посчитаем площадь поршня в поршневой и штоковой полости
2.4. Определение расхода
рабочей жидкости и выбор
Определяем расход жидкости, поступающий в поршневую полость каждого силового гидроцилиндра
где υПР - скорость перемещения поршня, которая определяется отношением хода поршня к времени рабочего хода
тогда
Подача насоса с учетом утечек рабочей жидкости определится по формуле:
QH = (QЦ1 + ΔQЦ)· z + ΔQ зол + ΔQПК,
где ΔQЦ - утечки жидкости в силовом
цилиндре;
ΔQзол - утечки в золотнике;
ΔQПК - утечки через предохранительный
клапан;
z - число гидроцилиндров.
Утечки в силовом цилиндре ΔQЦ определим по формуле
Утечки в золотнике
Номинальные утечки находим в табл.2.2 и 2.3 [17].
Утечки через
Определим рабочий объем насоса
где n - частота вращения ротора насоса;
η0 - объемный КПД насоса,
Выбираем по рассчитанным параметрам пластинчатый гидронасос Г12-24М с рабочим объемом 80 см3, номинальной подачей 70 л/мин, номинальным давлением 6,3 МПа и объемным КПД η0* = 0,9 (рис.4). Вес насоса 25 кг
Рис.4. Пластинчатый насос Г12-24М
Насос состоит из корпуса 2 с крышкой 9, между которыми размещаются статорное кольцо 11. На приводном валу 4 на шлицах установлен ротор 1, в пазах которого помещены пластины 12. Вал вращается в шариковых подшипниках 3. К торцам ротора прижаты торцевые распределительные диски 7 с четырьмя окнами для всасывания и нагнетания. Один из торцевых распределительных дисков плавающий: в начале работы насоса он поджимается к ротору пружинами 6, а во время работы - давлением жидкости, поступающей из напорной гидролинии. Герметизация насоса достигается установкой резинового или пробкового кольца 10 и манжет 5 из маслостойкой резины. Утечки повалу отводятся через дренажное отверстие 8.
Уточняем расход жидкости, сбрасываемый через предохранительный клапан в бак
ΔQПК = qnη0 - 2(QЦ1 + ΔQЦ) - ΔQ зол =
= 80·10-3·1000·0,9 - 1(52,72+0,014) - 0,016 = 19,25 л/мин.
2.5. Расчет диаметра трубопровода и скорости движения жидкости
Находим внутренний диаметр труб, с помощью которых соединяются гидроаппараты. Для этого зададимся скоростью движения жидкости согласно требованиям ГОСТ в зависимости от давления насоса PН . Принимаем υРЖ = 3,2 м/с.
Имея в виду, что
где dТ - внутренний диаметр труб, получим
Найденное значение диаметра dТ округляем до ближайшего стандартного в бoльшую строну согласно ГОСТ 16516-80 [14, с.7], т.е. dТ = 20 мм.
Уточнив внутренний диаметр труб, находим среднюю скорость движения жидкости в трубах
2.6. Подбор гидроаппаратуры
Гидроаппаратура |
Кол |
Тип |
Расход, |
Дав-е, |
Перепад |
Перепад давлений расчетный, МПа |
Предохранительный клапан [14, с.124] |
1 |
ПГ54-34М |
125 |
6,3 |
0,6 |
0,4 |
Гидрораспределитель |
1 |
ВММ10.44 |
33 |
32 |
0,22 |
0,2 |
Дроссель [14, с.143, 146, 148] |
1 |
ПГ77-14 |
80 |
20 |
0,3 |
0,3 |
Фильтр щелевой [14, с.304] |
1 |
40-80-1 |
40 |
6,3 |
0,1 |
0,1 |
Зная расходы и ориентировочные величины давлений, приступим к выбору гидроаппаратуры. Применительно к рассчитываемому гидроприводу необходимо выбрать предохранительный клапан, гидрораспределитель, дроссель и фильтр. Производим подбор гидроаппаратуры, удовлетворяющей полученным данным по расходу QН (не ниже 70 л/мин) и давлению P (не ниже 1,6 МПа). Все данные по выбранной аппаратуре представлены в табл.1.
2.7. Описание выбранной гидроаппаратуры
Предохранительный клапан ПГ54-34М (рис.5) стыкового присоединения состоит из следующих основных деталей: корпуса 3, колпачка 5, золотника 2, пружины 6, регулировочного винта 8 и втулки 7. Масло подводится к аппарату через отверстие P и отводится через отверстие A. Линия P через канал 10 и малое отверстие (демпфер) 11 соединена с полостью 1, а полость 9 через канал 4 - с отверстием A. Когда усилие от давления масла на торец золотника в полости 1 преодолевает усилие пружины 6 (регулируется винтом 8) и усилие от давления масла на противоположный торец золотника в полости 9, золотник перемещается вверх, соединяя линии P и A.
Рис.5. Конструкция гидроклапана давления ПГ54-34М
Условный проход, мм |
Расход, л/мин |
Давление, МПа |
Масса, кг |
20 |
125 |
2,5 |
4 |
Гидрораспределитель типа ВММ10.44 по ГОСТ 24697-81 (рис.6) имеет чугунный литой корпус 1, в котором выполнены каналы для подключения линий P, T, A и B. Корпус имеет пять маслоподводящих канавок. В центральном отверстии корпуса (диаметром 10 мм) расположен золотник 2, который через толкатели 3 перемещается узлом управления.
Рис.6. Распределитель ВММ 6.44 и пилот
с управлением от рукоятки:
а) внешний вид; б) конструкция; в) исполнение
по 44-й гидросхеме
Условный проход, мм |
Расход, л/мин |
Давление, МПа |
Максимальная |
Масса, кг |
10 |
33 |
32 |
10 |
4 |
Дроссель типа ПГ77-14 (ТУ27-20-2205-78) состоит из следующих основных деталей (рис.7): корпуса 1, втулки 2, втулки-дросселя 3, винта 4, валика 6, лимба 8, контргайки 7, пробки 11, пружины 10, указателя оборотов 5 и штифта 9. Масло из гидросистемы подводится к отверстию "подвод" аппарата, проходит через дросселирующую щель, образованную фасонным отверстием во втулке 2 и торцом втулки-дросселя 3 (вид Б), и отводится через отверстие "отвод". Расход регулируется путем осевого перемещения втулки-дросселя 3 с помощью винта 4 в одну сторону и пружины 10 - в противоположную. Винт поворачивается от лимба 8 через валик 6. Между винтом и валиком установлена втулка с зубчатым зацеплением, позволяющим так устанавливать лимб относительно валика, что при полностью закрытом дросселе утечка него не превышает 0,06 л/мин. Полному осевому перемещению втулки-дросселя соответствует четыре оборота лимба, что позволяет плавно регулировать расход масла. После каждого полного оборота лимб с помощью штифта 9 поворачивает на ¼ оборота указатель 5, на торце которого имеются цифры "1"…"4"; самопроизвольный поворот указателя предотвращает шариковый пружинный фиксатор. Острые кромки по всему периметру дросселирующей щели практически исключает зависимость установленного расхода от температуры масла, а треугольная форма проходного сечения при малых открытиях уменьшает опасность засорении.
Расход, л/мин |
Давление, МПа |
Масса, кг |
80 |
20 |
6 |
Рис.7. Конструкция дросселя ПГ77-14
Фильтр щелевой 40-80-1 ГОСТ 21329-75 (рис.8) имеет фильтрующий пакет, состоящий из набора основных 8 и промежуточных 9 пластин. Фильтр по конструкции состоит из стакана 1, крышки 2, оси 3, стойки 10 с закрепленными на ней скребками 11, рукоятки 4, уплотнений 5, 6 и пробки 7, служащей для слива загрязнений. Из отверстия I крышки масло проходит через щели между платинами 8 и отводится в гидросистему через отверстие II. При повороте фильтрующего пакета рукояткой 4 скребки 11 прочищают щели между основными пластинами. Очистку фильтрующего пакета не рекомендуется выполнять во время работы гидропривода.
Рис.8. Фильтр щелевой 40-80-1
Условный проход, мм |
Расход, л/мин |
Давление, МПа |
Масса, кг |
20 |
40 |
6,3 |
5,12 |
2.8. Определение действительных перепадов давлений
При определении перепадов давлений исходят из расходов, на которые рассчитана гидроаппаратура. Действительные расходы отличаются от справочных. Поэтому необходимо уточнить значения перепадов давлений.
Перепады давлений на золотнике можно найти из выражений
где ΔP* зол- перепад давлений на
золотнике при расходе Q* зол;
QЦ1 - расход жидкости в полость
нагнетания цилиндра;
QЦ2 - расход жидкости из полости
слива.
Определим расход QЦ2 жидкости, вытекающей из штоковой полости
Определим перепады давлений
Аналогично могут быть уточнены значения ΔР и для другой гидроаппаратуры.
При подсчете перепада давления на фильтре отношение QЦ2 / Q*Ф подставлять нужно в первой степени, т.к. режим движения жидкости в фильтре ламинарный:
Для определения действительных перепадов давления в трубах сначала определим среднюю скорость движения жидкости в сливной магистрали l2
Далее определим числа Рейнольдса
где ν - кинематическая вязкость масла, которая определяется по формуле:
здесь ν50º - кинематическая
вязкость индустриального масла И-70, м2/с;
TМ - температура масла, ºС;
n - показатель степени, зависящий
от ν50º.
Поскольку Re1 и Re2 меньше критического числа, режим течения в трубах ламинарный, поэтому коэффициент гидравлического сопротивления определим по формуле
Определив коэффициенты гидравлического трения λ, находим перепады давлений в трубах:
где ρ - плотность рабочей
жидкости, для И-70 ρ = 910 кг/м3;
λ1 и λ2 - коэффициент гидравлического
трения для напорной и сливной гидролинии
соответственно.
Поскольку перепады давлений на дросселе зависят от степени его открытия, то оставим их такими же, как и ранее ΔPДР 1 = 0,25 МПа.
По уточненным перепадам давлений находим перепад давлений в полостях силового гидроцилиндра
P2 = ΔРДР + ΔРзол 2 + ΔРФ + ΔР2 =
0,25 + 0,41 + 0,11 + 0,105= 0,875 МПа
По формуле определим P1
и уточним давление, развиваемое насосом
РН = Р1 + ΔРзол 1 + ΔР1 = 1.67+ 0,54 + 0,09 = 2.3 МПа.
3. Определение КПД гидропривода
Определим КПД гидропривода, учитывая, что он работает при постоянной нагрузке.
Общий КПД проектируемого гидропривода, работающего при постоянной нагрузке определим по формуле
где Nпр - затрачиваемая мощность привода (насосной установки),
где η - общий КПД насоса при расчетных значениях давления, расхода, вязкости рабочей жидкости и частоты вращения приводного вала насоса;
Nпол - полезная мощность привода, которая определяется по заданным нагрузкам и скоростям гидродвигателей: для привода с гидроцилиндром
Nпол = R υПРz = 13·0,08 = 1,04кВт,
где z - число силовых цилиндров, включенных в привод.
Общий КПД проектируемого гидропривода ηобщ = 0,41. Причина такого низкого КПД в потерях на преодоление сил трения
4. Расчет объема гидробака
Определим потери мощности в гидроприводе, переходящие в тепло, найдя разницу между затрачиваемой мощностью и полезной
ΔN = Nпр - Nпол =2,54– 1,04 = 1,5 кВт.
Количество тепла Eпр, выделяемое в гидроприводе в единицу времени, эквивалентно теряемой в гидроприводе мощности ΔN
Eпр
Перепад температур между рабочей жидкостью и окружающим воздухом
ΔT = TM - TO = 65 - 15 = 50 °C
Площадь поверхности теплообмена, необходимая для поддержания перепада ΔTуст ΔT
где Kтр и Kб - коэффициенты теплопередачи труб и гидробака, Вт/(м2·ºС).
Примем Kтр = 12 Вт/(м2·ºС) и Kб = 8 Вт/(м2·ºС), тогда
Площадь поверхности теплообмена складывается из поверхности труб Sтр, через которые происходит теплообмен с окружающей средой, и поверхности теплоотдачи бака Sб
Sпов = Sтр + Sб
Определим площадь поверхности труб
Найдя площадь поверхности гидробака, определим его объем Vб и округлим до стандартного значения в большую сторону
Округлив до стандартного значения объем бака Vб, принимаем его равным 0,25 литра.
Однако, согласно рекомендациям по проектированию гидропривода, объем гидробака должен быть в три раза больше объема масла, находящегося в трубопроводах и гидроаппаратах системы.
Определим объем рабочей жидкости, находящейся в гидросистеме. Объем масла в трубах
Объем масла в гидроцилиндре
VГЦ = F1 S = 15,4·10-3·0,5 = 0.0077 м3
Объем масла в гидронасосе равен его рабочему объему
VН = q = 0,08 л.
Объем масла в фильтре можно приближенно посчитать исходя из геометрических размеров выбранного фильтра. Стакан фильтра имеет цилиндрическую форму диаметром 110 мм и высотой 205 мм. Пластины занимают приблизительно 60% внутреннего объема фильтра. Исходя из этих геометрических характеристик объем масла, заполняющего фильтр равно
Объемом масла, находящегося в гидрораспределителе, дросселе можно принебречь
Таким образом, объем рабочей жидкости, находящейся в гидросистеме равен
V = Vтруб + VГЦ + VН + VФ = 5,02+ 7,7+ 0,08 + 0,8 = 13,6 л.
Тогда объем бака равен
Vб = 3V = 3 13,6= 40,8 л,
а округляя его до стандартного значения объема по ГОСТ 12448-80 примем объем бака Vб = 50 литров.
5. Построение нагрузочной
Нагрузочная характеристика гидропривода выражает зависимость скорости движения выходного звена от нагрузки на нем.
Применительно к схеме проектируемого гидропривода найдем перепад давлений на дросселе. Используя выражения (1) и (2), составим систему уравнений
и, решая эти уравнения
Определим площадь проходного сечения в дросселе по формуле:
где μ - коэффициент расхода дросселя, для дросселей золотникового типа μ = 0,4 [10, с.50].
Далее для построения силовой характеристики
привода зададимся рядом
Величину R следует изменять от нуля до максимального
значения R max, при котором скорость перемещения
поршня равна нулю. Все вычисления сведем
в табл.2.
R, кН |
ΔРДР, МПа |
υП, м/с |
0 |
1,314 |
0,08 |
2 |
1,165 |
0,692 |
4 |
1,016 |
0,585 |
6 |
0,866 |
0,428 |
8 |
0,717 |
0,367 |
10 |
0,568 |
0,215 |
12 |
0,419 |
0,152 |
13 |
0,341 |
0,046 |
По данным вычислений строится график υП = f(R) (рис.10).
Рис.10. Нагрузочная характеристика
Список литературы
1. Андреев А.Ф., Барташевич Л.В., Боглан
Н.В. и др. Гидро- пневмоавтоматика
и гидропривод мобильных машин.
2. Анурьев В.И. Справочник
3. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. - М.: Машиностроение, 1972. - 320 с.
4. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.
