Проектування гідрообладнання будівельних і дорожніх машин

Міністерство освіти і  науки, молоді та спорту України

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

 

 

Кафедра будівельних та дорожніх машин  ім. А.М. Холодова

 

 

Курсовий проект

з дисципліни

«Проектування гідрообладнання будівельних і дорожніх машин»

 

Варіант 07

 

 

 

Виконав:

ст. гр. 5Ммаг

Іванчук І.О.

 

Перевірив:

доц.

Пімонов І.Г.

 

 

 

2013

 

Зміст

Вступ…………………………………………………………………………… 3

1. Розрахунок основних параметрів та вибір елементів гідроприводу………………………………………………. 4

1.1 Вихідні дані……………………………………………………………….. 4

1.2 Розрахунок параметрів гідроциліндра,  насоса та гідроліній………….. 5

1.3 Вибір елементів гідроприводу…………………………………………... 9

1.4 Визначення ємності масляного  бака…………………………………….. 12

2. Розрахунок загального ККД та основних параметрів гідроприводу при його проектуванні………………………….. 13

2.1 Визначення втрат тиску у  гідропроводі від лінійних опорів………….. 13

2.2 Визначення втрат тиску у  гідроприводі від місцевих опорів…………. 16

2.3 Визначення втрат тиску в  елементах гідроприводу……………………. 17

2.4 Визначення загального ККД  та основних параметрів гідроприводу…. 19

Список  літератури…………………………………………………………... 23

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Вступ

Метою курсової роботи є закріплення знань з  дисципліни «Гідравліка і гідропневмопривід» і поглиблення знань щодо проектування гідроприводу машин з дисципліни «Проектування гідрообладнання будівельних і дорожніх машин». Крім того, курсова робота може бути складовою частиною курсових проектів інших дисциплін, а також дипломного проекту.

Для виконання  цієї курсової роботи необхідно визначити  ряд вихідних даних. Вихідні дані слід встановити на основі виконання курсового проекту, наприклад, з дисципліни «Машини для земляних робіт», або при виконанні студентської наукової роботи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ  ПАРАМЕТРІВ ТА ВИБІР ЕЛЕМЕНТІВ  ГІДРОПРИВОДУ

1.1 Вихідні дані

Для виконання  розрахунку гідроприводу машини (устаткування, стенда) слід установити такі вихідні дані:

1 Зусилля, яке передає гідроциліндр (гідроциліндри) R_ц, кН …………... 950

2 Швидкість переміщення штока V_ш, м/с………………………………… 0,072

3 Напрямок переміщення штока……………………………………... зворотній

4 В’язкість рідини при сталій температурі υ_с , см³/с……………………... 0,7

5 Щільність рідини ρ, кг/м³………………………………………………... 910

6 Довжини гідроліній і коефіцієнти місцевих опорів на ділянках магістралей:

а) напірна ділянка:

довжина l₁ ,м……………………………………………………………….. 2,5

місцеві опори ξ₁ …………………………………………………………….  9

б) виконавча робоча - довжина l₂  ,м ……………………………………... 5

місцеві опори ξ₂ …………………………………………………………….. 4

в) виконавча неробоча:

- довжина l₃ ,м………………………………………………………………. 4

місцеві опори ξ₃ …………………………………………………………….. 8

г) зливна ділянка:

- довжина l₄ ,м………………………………………………………………. 3

місцеві опори ξ₄…………………………………………………………….. 6

д) гнучкий трубопровід:

довжина виконавчої робочої l_Г2, м………………………………………… 4,5

виконавчої неробочої ділянок l_Г3, м……………………………………… 5

7 Номінальний тиск у гідроприводі Р_Н , МПа……………………………. 40

8 Число паралельно працюючих гідро циліндрів z ……………………… 1

1.2 Розрахунок параметрів  гідроциліндра, насоса та гідроліній

Визначення параметрів гідроциліндра.

Визначимо діаметр поршня гідроциліндра для  зворотного ходу штока:

 

 (1.1)

 

де D_р – розрахунковий діаметр циліндра, мм;

     R_ц – зусилля, яке передає шток гідроциліндра, кН;

     Рн – номінальний тиск у гідроприводі, МПа;

    – коефіцієнт, який обумовлений відношенням діаметра штока до діаметра поршня і складає 0.3…0.9 (приймаємо 0,5);

     z – число паралельно  працюючих гідроциліндрів.

Приймаємо: D_р=200 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок.1 Спрощена гідросхема машини (устаткування або випробувального  стенда)

Одержане значення внутрішнього діаметра циліндра (зовнішнього для поршня) необхідно округлити до стандартної  величини.

Основний стандартний ряд чисел  складає: 2; 2,5; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500.

Розрахунковий діаметр штока можна визначити  за формулою:

 

   (1.2)

Слід  одержати величину діаметра штока, прийняти найближче стандартне значення і позначити його як d. Хід штока (без проведення розрахунку на стійкість) складає . Хід штока рекомендується прийняти також з ряду стандартних чисел.

Приймаємо: d=125 мм.

 

 

 

 

Визначення параметрів насоса

Об'єм рідини, який споживається гідроциліндром , складає:

 

 (1.3)

де  Q_ц – об’єм рідини, який споживається гідроциліндром, дм³/хв;

V_ш – швидкість переміщення штока, м/с;

Р_н – номінальний  тиск, МПа.

Для забезпечення функціонування гідроциліндрів із заданими параметрами необхідно, щоб об'єм рідини, який споживається гідроциліндрами, дорівнював подачі насоса, тобто:

Використовуючи  дане співвідношення, визначимо розрахунковий  об'єм робочої камери насоса:

 (1.4)

де   V_р – розрахунковий об'єм робочої камери, см³/об;

 – номінальна частота обертання вала насоса, об/хв.

Номінальна  частота обертання вала насоса n_н в основному знаходиться в межах 1500 об/хв, яку і слід прийняти. Необхідно встановити редуктор, передаточне число якого складатиме:

 (1.5)

де   n_дв – частота обертання вала двигуна, об/хв.

За довідковою літературою на основі розрахункових  даних V_кр, см³/об, з урахуванням дії в гідроприводі тиску Р_н, МПа, величина якого задана, (див. вихідні дані), слід вибрати насос із паспортним значенням найближчим (великим або меншим) об’ємом робочої камери, що позначимо як V_к. Для вибраного типу насоса необхідно навести всі паспортні дані. У випадках, коли в паспортних даних насоса відсутнє значення гідромеханічного коефіцієнта корисної дії _гм.н. і вказуються тільки об'ємний і загальний коефіцієнти корисної дії то слід визначити за формулою:

 (1.6)

Тип насосу	Об’єм робочої камери,	Тиск, МПа		Частота обертання, об/хв.			ККД
НШ-100		номіна- льний	максима- льний	макси- мальна	номіна- льна	міні- маль на	обємний/ гідравліч ний	загаль- ний
	98,8	16	20	1920	1500	960	0,94/-	0,85

 

Визначення діаметрів гідроліній

Об’єм рідини, дм³/хв, що проходить через виконавчу неробочу та зливну ділянки трубопроводів для зворотного ходу штока, складає:

 

  (1.7)

Швидкість течії рідини на різних ділянках гідроприводу складає:

 - для напірної, виконавчої робочої і виконавчої неробочої ділянок – у межах

(3-10) м/с, величина якої встановлюється  самостійно близько до середнього  значення і, як правило, рекомендується  цю швидкість рідини забезпечити  на всіх трьох ділянках, що  позначені як l₁, l₂, l_2Г, l₃, l_3Г , а швидкість рідини слід позначити як V₁₂₃;

-  для зливної ділянки – в межах (1,4…2) м/с, що позначена як l₄, а швидкість рідини слід позначити як V₄.

Тоді  розрахунковий діаметр трубопроводу  на цих ділянках складатиме:

- для напірної, виконавчої робочої і виконавчої неробочої ділянок:

 

 (1.8)

Приймаю: 

• для зливної ділянки:

 (1.9)

Приймаю: 

де  V₁₂₃ - швидкість течії рідини на відповідних ділянках гідроліній, м/с;

Q_ц, Q_с - об'єм рідини, що проходить по різних ділянках гідроліній, дм³/хв. Одержані результати діаметрів гідроліній на різних ділянках гідросистеми також округляємо до найближчого стандартного значення (див. стандартний ряд чисел для діаметрів поршнів), і їх слід позначити як d₁₂₃, d₄.

 

1.3 Вибір елементів гідроприводу

До  гідроапаратів відносяться гідророзподільники, клапани та дроселі. Вибір гідроапаратів  слід здійснювати з умови забезпечення роботи:

• коли допускається тиск в гідроапараті не нижче Рн, МПа, (див. вихідні дані);
• витрата рідини через гідроапарат, близька (більша або менша) від Q_н, дм³/хв.

З довідкової літератури для кожного з прийнятих  гідроапаратів варто зазначити  всі паспортні характеристики, надані заводом – виготовлювачем.

Вибір гідророзподільників

Для гідророзподільників найбільш важливими паспортними даними, що необхідні для подальших розрахунків, є втрати тиску, які експериментально встановлюються заводом - виготовлювачем за умови проходження через гідророзподільник заданої, тобто, номінальної витрати рідини, що позначимо як Q^р_ном дм³/хв, і загальноприйнятої при проведенні цих експериментів в'язкості робочої рідини, яка складає 0,3 ± 0,03 см³/с (Ст), і позначимо її як υ_0,3. Для втрати тиску для паророзподільника необхідно зазначити дві величини, МПа:

- - при прямуванні рідини від насоса до гідроциліндра;

  - - при прямування рідини від гідроциліндра до масляного бака.

 

Параметр	Умовний прохід
	Р=16 МПа
	32
1. Тиск номінальний / максимальний, МПа	16/20
2. Тиск допустимий в зливній  гідро лінії, МПа	1,5
3. Витрати робочої рідини, номінальній / максимальний, л/мин	250/320
4.Внутрішні перетічки по золотнику  в нейтральному положенні	150
5. Зусилля переміщення золотника,  Н	392
6. Максимальна кількість секцій  в одному блоці	8
7. Час спрацювання запобіжного  клапану, с	2
8. Втрати тиску в розподільнику  для прямого і зворотного потоків  робочої рідини при номінальній  витраті, л/хв, і в’язкості  , МПа	0,7
9. Маса секції розподільника, кг	-

 

 

Вибір зворотного клапана

З паспортних даних для зворотного клапана  в подальших розрахунках використовують величину втрат тиску , яка складає залежно від типу пружини: для звичайної - 0,05 МПа; для підсиленої - 0,15 МПа; для значно підсиленої - 0,3 МПа. Тип пружини прийняти самостійно. Рекомендується звичайний або підсилений тип пружини. В подальших розрахунках використовують також номінальну витрату рідини , дм³/хв, через зворотний клапан за умови, коли в'язкість рідини при визначенні втрат тиску складає 0,3 ±0,03 см²/с(Ст.) і позначають цю в'язкість як υ_0,3. Приймаємо клапан типу 61400 з номінальною витратою рідини 250 л/хв.

Вибір фільтрів

Надійність  роботи гідроприводу значною мірою  залежить від ступеня очищення робочої  рідини. Ефективність процесу очищення рідини забезпечують фільтри. Фільтри монтують на різних ділянках. Зокрема на ділянці, що забезпечує підвід рідини від масляного резервуара до насоса, фільтри монтують у напірній або в зливній гідролініях. У гідроприводі будівельних і дорожніх машин фільтри в більшості випадків встановлюють у зливній гідролінії. Вибір фільтрів, які встановлюють у зливній гідролінії, слід виконувати за двома показниками:

- за  пропускною здатністю фільтра,  дм³/хв, не меншою, ніж Q_сл;

- за  тонкістю фільтрації рідини, мкм,  значення якої приймають розроблювані гідросистеми.

    Для фільтрів однією із найважливіших  паспортних даних, що використовують у подальших розрахунках, є також величина втрат тиску, яка для нових фільтрів складає МПа при номінальній величині витрат рідини через фільтроелемент, що позначимо як . В міру засмічення фільтроелемента величина перепаду тиску на фільтроелементі зростає, і при досягненні тиску 0,2 МПа захисний клапан, встановлений у корпусі фільтра, починає пропускати через себе частину рідини, що забезпечує захист фільтроелемента від руйнування. При тиску 0,35 МПа клапан цілком перепускає рідину через себе, що свідчить за наявності відповідних сигналізаторів про повне засмічення фільтроелемента і про необхідність його заміни.  

 

 

Параметр	Позначення фільтра
	1.1.50-25
Умовний прохід	40
Номінальна витрата рідини, л/хв.	250
Номінальний тиск, МПа	0,63
Ресурс роботи, год.	1000
Втрати тиску, МПа	0,3

 

1.4 Визначення ємності масляного  бака

Ємність масляного бака встановлюють залежно  від величини об'єму рідини, яка споживається гідроциліндрами , а також від типу машини і від характеру її навантаженності. Так, для таких машин, як бульдозери, скрепери і автогрейдери, розрахунковий об'єм масляного бака можна визначити, як:

 

 (2.0)

 

Приймаю:  .

де   V_бр - розрахунковий об'єм масляного бака, дм³.

Встановлений  об'єм масляною бака округляю до найближчого  стандартного значення із чисел стандартного ряду (40, 63, 100, 125, 160, 250, 500) дм³.

 

 

2 РОЗРАХУНОК ЗАГАЛЬНОГО ККД  ТА ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ГІДРОПРИВОДУ ПРИ ЙОГО ПРОЕКТУВАННІ

2.1 Визначення втрат тиску у гідропроводі від лінійних опорів

 При визначенні лінійних  втрат тиску в гідропроводі використовують метод, який дозволяє визначити  той чи інший режим течії рідини за величина параметра т_і. Якщо величина параметра менша за одиницю, то режим течії рідини відповідає ламінарному режиму, а якщо ця величина більша за одиницю або дорівнює їй, то режим течії рідини - турбулентний. Індекс і характеризує ту чи іншу ділянку гідроприводу. При розрахунках параметра т_і індекс і слід замінити на номер конкретної ділянки гідроприводу і скористатися формулами:

- для  напірної і виконавчої робочої  ділянок:

 

            (2.1)

 

- для  виконавчої неробочої ділянки: 

       

              (2.2)

 

• для зливної :

                                                     

                (2.3)

 

де    d₁₂₃ – діаметр трубопроводу на напірній, виконавчій робочій і  виконавчій неробочій ділянках, мм;

          d₄ – діаметр трубопроводу на зливній ділянці, мм.

При використанні залежностей для  визначення параметра т_і витрату рідини і вимірюють у дм³/хв, а в’язкість рідини - у см² /с.

У загальному вигляді незалежно від призначення  ділянки гідроприводу лінійні втрати тиску для жорсткого трубопроводу складають:

• при ламінарному режимі:

 

  (2.4)

 

•  при турбулентному режимі:

 

 (2.5)

 

 

При цьому  для визначення лінійних втрат тиску на конкретній ділянці необхідно замінити індекс і у параметрів т_і, l_і і d_і на номер ділянки трубопроводу, зокрема:

   - т_12, l₁ і d₁₂₃ - на напірній ділянці і визначити ;

   - т_12, l₂ і d₁₂₃ - на виконавчій робочій ділянці і визначити ;

  - т_3, l₃ і d₁₂₃ - на виконавчій неробочій ділянці і визначити

  - т_4, l₄ і d₄ - на зливній ділянці і визначити .

   Для ділянки гідроприводу з гнучким трубопроводом лінійні втрати тиску в загальному вигляді складають:

- при ламінарному режимі:

 

 (2.6)

 

 - при турбулентному режимі :

 

 (2.7)

 

де   l_Гі – довжина гнучкого трубопроводу, м.

 При  визначенні лінійних втрат тиску на конкретній ділянці з гнучким трубопроводом необхідно також індекс і у параметрів т_і, l_Гі і d_і замінити на номер конкретної ділянки трубопроводу, зокрема:

- т_12, l _Г2 і d₁₂₃ – на виконавчій робочій ділянці і визначити .

- т_3, l _Г3 і d₁₂₃ – на виконавчій неробочій ділянці і визначити .

Довжину гнучких трубопроводів  на виконавчій робочій і неробочій ділянках приймають на основі вихідних даних.

Сумарні лінійні втрати тиску, що залежать від  втрат тиску ділянок гідроприводу, визначають за формулами:

• на ділянці від насоса до робочої порожнини гідро циліндра:

 

. (2.8)

 

. (2.9)

 

•  на ділянці від неробочої порожнини гідроциліндра до масляного бака:

 

. (2.10)

 

. (2.11)

 

де  , , , - лінійні втрати тиску, які встановлені для жорстких гідроліній на напірній, виконавчій робочій, виконавчій неробочій і зливній ділянках   з   урахуванням   режиму течії рідини, відповідно, МПа;

, - втрати тиску в гнучких гідро лініях, які встановлені на виконавчій робочій і виконавчій неробочій ділянках теж з   урахуванням   режиму течії рідини, відповідно, МПа.

 

2.2 Визначення втрат тиску у  гідроприводі від місцевих опорів

У загальному вигляді величини втрат тиску  від місцевих опорів незалежно від призначення окремої ділянки гідроприводу, виключаючи гідророзподільники, зворотні клапани і фільтри, для яких в паспортних характеристиках вказують ці дані, визначають у загальному вигляді за формулою:

, МПа (2.12)

де  - втрати тиску від місцевих опорів на окремій ділянці гідроприводу, МПа;

        d_і - діаметр трубопроводу на окремій ділянці гідроприводу, мм;

       - сумарний коефіцієнт місцевих опорів на окремій ділянці трубопроводу.

При визначенні втрат тиску від місцевих опорів на конкретній ділянці трубопроводу необхідно замінити індекс у параметрів і d_і на номер конкретної ділянки трубопроводу, зокрема:

  і d₁₂₃ - на напірній ділянці;

  і d₁₂₃ - на виконавчій робочій ділянці;

  і d₁₂₃ - на виконавчій неробочій ділянці;

  і d₄  - на зливній ділянці.

Сумарні втрати тиску від місцевих опорів складають:

- на  ділянці від насоса до робочої  порожнини гідроциліндра як для прямого, так і зворотного ходу штока:

 

;

 

- ділянці  від неробочої порожнини гідроциліндра до бака:

 

 (2.13)

 

2.3 Визначення втрат  тиску в елементах гідроприводу

Для будь-якого  зі створеного гідроелемента завод-виготовлювач експериментально встановлює величину втрат тиску при обов’язковій в’язкості, яка має значення, близьке до см²/с (Ст), і за умови проходження через цей гідро елемент номінального об’єму робочої рідини. Ці параметри наведені у паспорті на кожний з гідроелементів, що виготовлений на заводі. При використанні в гідроприводі, наприклад, гідророзподільника, зворотного клапана та фільтра, якщо величина проходження робочої рідини та її відмінні від зазначених раніше, то втрати тиску в гідроприводі можуть бути визначені за формулою:

- на  ділянці від насоса до робочої  порожнини гідроциліндра:

 

; (2.14)

 

•  на ділянці від неробочої порожнини гідроциліндра до масляного бака:

 

, (2.15)

 

де  , - втрати тиску для гідророзподільника, які встановлені заводом- виготовлювачем при номінальному значенні виграти рідини і в'язкості               υ_0,3 = 0.3±0,03 см²/с при прямуванні її до робочої порожнини гідроциліндра і від неробочої порожнини гідроциліндра на злив, відповідно, МПа;

, - втрати тиску для клапана та фільтра, які встановлені заводом-виготовлювачем при номінальних значеннях витрати рідини , і в'язкості рідини і υ_0,3 = 0,3±0,03 см²/с, відповідно, МПа;

 υ_с  -  в'язкість рідини в гідроприводі, (див. вихідні дані), см²/с;

 Q_ц - об'єм рідини, що спрямовується насосом у робочу порожнину гідроциліндра, дм³/хв;

Q_с - об'єм рідини, що витісняється з неробочої порожнини гідроциліндра на злив у масляний бак, дм³/хв.

2.4 Визначення загального  ККД та основних параметрів  гідроприводу

Загальні  втрати тиску в гідроприводі на етапі  його проектування складають:

- на  ділянці від насоса до робочої  порожнини гідро циліндра:

 

; (2.16)

 

; (2.17)

 

•  на ділянці від неробочої порожнини гідроциліндра до масляного бака:

 

; (2.18)

 

, (2.19)

 

де   ΔР_н - загальні втрати тиску, обумовлені лінійними та місцевими опорами, а також втратами тиску в гідроелементах на ділянці від насоса до робочої порожнини гідроциліндра, МПа;

       ΔР_с - загальні втрати тиску, обумовлені лінійними та місцевими опорами, а також втратами тиску в гідроелементах на ділянці від неробочої порожнини гідроциліндра до масляного бака, МПа.

Загальний коефіцієнт корисної дії на етапі  проектування гідроприводу для зворотного ходу штока можна визначити за формулами:

 

 (2.20)

 

 (2.21)

де, - загальні внутрішні втрати рідини в насосі, гідророзподільнику та гідроциліндрі при виконанні штоком гідроциліндра прямого ходу, дм³/хв;

η_гм.н – гідромеханічний ККД насоса (див. паспортні дані насоса);

V_к – об’єм робочої камери насоса (див. паспортні дані насоса), см³/об.

   Сумарні внутрішні втрати рідини  для зворотного ходу штока можуть досягати об’єму:

 

 (2.22)

 

де   - втрати рідини в гідророзподільнику і в гідроциліндрі, дм³/хв.

Втрати  рідини в гідророзподільнику і в  гідроциліндрі залежать від їх стану  і на етапі проектування при аналізі  технічної документації складають  мінімальну величину. Можна прийняти нульові втрати рідині.

За результатами виконаних розрахунків  загальний ККД гідроприводу на сучасному рівні не повинен бути нижчим за величину 0,6..,0,7. Якщо величина ККД нижче встановленого рівня, то для досягнення цієї вимоги необхідно змінити конструктивні параметри трубопроводів або вибрати новий гідророзподільник рідини зі значно меншими втратами тиску.

Потужність, яку передають гідроциліндри (гідроциліндр) при виконанні зворотного ходу штока, визначається формулою:

 

,                       (2.23)

де     N_ц - потужність гідроциліндрів (гідроциліндра), яку вимірюють у кВт, якщо R_ц - кН, а V_ш - м/с.

Потужність, яка необхідна для приводу  насоса для зворотного ходу штока, кВт:

 

                            (2.24)

 

Крутний момент на валу насоса при зворотному напрямку штока, Н·м:

 

                       (2.25)

 

де  - тиск, який розвиває насос при виконанні зворотного ходу, МПа.

Тиск, який визиває насос при зворотному напрямку штока можна визначити за формулою:

 

            (2.26)

 

де   F_n – площа робочої поверхні поршня зі сторони безштокової порожнини гідроциліндра, мм².

Площа робочої поверхні поршня зі сторони безштокової порожнини гідроциліндра складає:

                       (2.27)

де    D, d - діаметр поршня і штока, відповідно, мм.

 

На  основі виконаних розрахунків складемо такі дані про гідропривід:

• загальний коефіцієнт корисної дії = 0,779;

• потужність гідроциліндрів (гідроциліндра) N_ц=56,25 кВт;
• потужність насоса = 72,242 кВт;
• крутний момент на валу насоса =429,293 Н·м.

 

 

Список літератури

1. Васильченко В.А., Беркович Ф.М. Гидравлический привод строительных и дорожных машин.-М.:Стройиздат, 1978.- 166 с.
2. Методические указания к курсовому проекту «Гидрофицированные стреловые самоходные крани» по дисциплине «Подьемно-транспортные машини» для студентов специальности 15.04/Сост. Н.П.Ремарчук, С.В.Козупица. - Харьков: ХАДИ, 1993. - 76 с.
3. Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник. - М.: Машиностроение, 1983. - 301 с.