7 Трубопроводы

Функциональная связь гидроагрегатов в гидроприводах осуществляется с помощью трубопроводов различной конструкции. Несмотря на относительную простоту этих элементов, от их правильного выбора во многом зависит надежность работы гидропривода.

В гидроприводах обычно имеется:

• всасывающая гидролиния, по которой рабочая жидкость поступает к насосу;

• напорная гидролиния, то есть участок движения жидкости от насоса к объемному гидродвигателю;

• сливная гидролиния, по которой происходит движение рабочей жидкости от объемного гидродвигателя в гидробак;

• гидролиния управления, по которой рабочая жидкость движется к устройствам управления и регулирования;

• дренажная гидролиния, предназначенная для отвода утечек рабочей жидкости от гидроагрегатов в гидробак.

Основной характеристикой трубопровода является его внутренний диаметр (условный проход). Исходными параметрами для определения внутреннего диаметра трубопровода являются: рабочее давление, развиваемое выбранным насосом P_Н; подача насоса Q_Н при этом давлении; скорости движения во всасывающем и напорном трубопроводах.

Внутренний диаметр трубопровода (условный проход) определяется по формуле:

D_У 

4Q_Н

πυ

, (7.1)

где Q_Н – подача насоса;

– значения скоростей движения в соответствующих гидролиниях.

Опыт проектирования и эксплуатации гидроприводов позволил определить экономически приемлемые и технически допустимые скорости движения рабочей жидкости в гидролиниях:

• для всасывающих гидролиний _ВС = 0,5 ÷ 2 м/с;

• для сливных линии _СЛ = 2 м/с;

• для гидролиний управления _УП = 5 м/с;

• для напорных гидролиний _Н = 6 м/с.

В связи с повышением качества изготовления гидролиний скорость рабочей жидкости в напорных линиях допускается принимать в зависимости от рабочего давления в следующих пределах [4]:

давление, МПа	2,5	5,0	10,0	15,0
скорость, м/c	3 ÷ 10	4	5 ÷ 6	8 ÷ 10

При выборе внутреннего диаметра трубопровода необходимо учитывать соответствие его значений стандартному ряду ГОСТ 8734-75 (8; 10; 12; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80 мм).

После определения значения условного прохода D_У в соответствии с ГОСТ необходимо уточнить фактическую скорость движения рабочей жидкости в трубопроводах.

Фактическая скорость движения в трубопроводе может быть определена по формуле

_{υ }4Q_Н

, (7.2)

^Ф πD²

У

где _Ф – фактическая скорость во всасывающем трубопроводе; Q_Н – расход ( производительность насоса );

D_У – условный проход всасывающего трубопровода, принятый по ГОСТу.

В системе гидропривода применяют жесткие и гибкие трубы. Наиболее употребительны: жесткие трубы стальные бесшовные холодно- деформируемые при D_У < 30 мм; горячекатанные – при D_У > 30 мм. Материал таких труб – сталь 10 и сталь 20.

Для дренажных линий и линий управления с давлением до 6 МПа применяют тонкостенные трубы медные, из алюминиевых сплавов – при давлениях до 0,64 МПа и винилпластовые трубы – при давлениях до 0,6 МПа.

В случае применения стальных или медных труб необходимо произвести расчет этих труб на прочность. Расчет на прочность сводится к

определению толщины стенок , рассчитываемой по формуле

_{δ }^PDУ , (7.3)

2σ

где P – максимальное давление рабочей жидкости;

– допускаемое напряжение материала трубы на разрыв; D_У – внутренний диаметр трубопровода.

Допускаемое напряжение принимается для труб:

 из стали 20, 35, 40= 400 ÷ 500МПа;

• из цветных металлов и сплавов = 200 ÷ 250 МПа.

Если расчетное значение оказалось малым, то, учитывая возможность внешних механических повреждений, это значение в любом случае не следует выбирать менее 0,8 ÷ 1,0 мм для цветных металлов и 0,5 мм – для стали.

Гибкие трубопроводы применяют для соединения элементов гидропривода, которые расположены на подвижных частях и могут

перемещаться относительно друг друга.

В качестве гибкого трубопровода в основном применяют резинотканевые шланги, называемые рукавами высокого давления (РВД) . В зависимости от количества металлических оплеток рукава высокого давления делятся на три типа:

• I тип – с одной металлической оплеткой, рассчитанной на давление до 20 МПа;

• II тип – с двойной оплеткой, рассчитанной на давление до

30 МПа;

• III тип – с тройной оплеткой, применяемой для высоких давлений при внутреннем диаметре до 40 МПа.

Основные размеры РВД приведены в ГОСТ 6286 – 73.

Для заданных условий работы гидросистемы гибкие трубопроводы могут быть выбраны в специальной литературе.

Рукава навивочной конструкции типов РВД-20, РВД-25, РВД-32 применяются в гидросистемах с рабочим давлением 16 ÷ 25 МПа при

работе на маслах МГ-15В, МГ-46Б, И-20А, И-30А в температурном диапазоне 50 ÷ 100 °С.

При монтаже гидролиний необходимо соблюдать следующие требования:

• не допускаются вмятины на трубах и искажение их цилиндричности;

• радиус изгиба жестких трубопроводов должен соответствовать условию: R (4 ÷ 6)d_Н, где d_Н – наружный диаметр трубы;

• радиус изгиба рукавов зависит от типа рукава и в среднем принимается из соображений: R (12 ÷ 18)d_В, где d_В – внутренний

диаметр трубопровода;

• присоединение трубопроводов к вращающимся узлам гидропривода должно производиться с помощью специальных шарнирных соединений, имеющих одну, две и более степеней свободы.

8. ПОТЕРИ НАПОРА (ДАВЛЕНИЯ) В СИСТЕМЕ ГИДРОПРИВОДА

При движении жидкости по трубопроводам гидропривода, а также при прохождении жидкости через контрольно-регулирующую аппаратуру происходят потери напора. Поэтому давление выбранного насоса должно быть достаточным для обеспечения необходимого усилия и преодоления потерь напора, возникающих в трубопроводах, клапанах, дросселях и т.д.

Суммарные потери давления в гидросистеме гидропривода P

определяются по зависимости

P = _ТР _М _Г, (8.1)

где _ТР – потери давления при трении движущейся рабочей жидкости в трубопроводах;

_М – потери давления в местных сопротивлениях трубопроводов;

_Г – потери давления в гидроаппаратуре.

При этом потери давления на трение, в свою очередь, определяются по формуле

P_ТР

γλ

l _υ

, (8.2)

D_У 2g

2

где – объемный вес рабочей жидкости;

– коэффициент сопротивления трения;

D_У – внутренний диаметр трубопровода (условный проход);

l – длина участка трубопровода без местных сопротивлений;

 – скорость движения рабочей жидкости на рассматриваемом участке;

g – ускорение свободного падения.

Для определения коэффициента сопротивления трения предварительно определяется число Рейнольдса

Re 

υD_У



, (8.3)

где – кинематический коэффициент вязкости жидкости.

При Re > Re_КР режим движения является турбулентным, при Re < Re_кр – ламинарным. Величина критического числа Рейнольдса зависит от конструктивной формы канала, наличия внешних возмущений и т.д. Значение критического числа Re_КР для некоторых конструктивных форм трубопровода, применяемых в гидроприводе, при практических расчетах можно принимать в соответствии с таблицей 8.1.

Таблица 8.1 – Значения критических чисел Рейнольдса

Форма канала	ReКР
Круглые гладкие трубы	2320
Гибкие шланги	1600
Окна цилиндрических золотников	260
Плоские и конусные клапаны	20 ÷ 100
Распределительные краны	550 ÷ 570

При ламинарном режиме движения коэффициент определяется по следующим формулам:

• для гладких труб и шлангов без резких сужений и изгибов

_{λ }75

Re

; (8.4)

• для гибких рукавов длиной до 700 мм

_{λ }85

Re

; (8.5)

• для труб со вмятинами, уменьшающими сечение на 40 ÷ 50 %

^{λ 155} . (8.6)

Re

При турбулентном режиме при значениях критерия Рейнольдса 2300 < Re < 10000, коэффициент сопротивления для металлических труб может быть определен по формуле Блазиуса:

• для медных и латунных труб

_{λ }0,3164 _{; (8.7)}

_Re0,25

• для стальных шероховатых труб

⎛_

λ 0,06_⎜^⎜

0,314

⎞

⎟_⎟

, (8.8)

⎝^DУ ⎠

где – высота выступов шероховатости (абсолютная шероховатость), определяемая в соответствии с таблицей 8.2.

При развитом турбулентном режиме движения, то есть при Re > 10000 коэффициент сопротивления для стальных труб определяется по формуле

_{λ } 1

2

_⎛ 3,7D _⎞

_⎜2log ^У _⎟



. (8.9)

⎝ ⎠

Таблица 8.2 – Абсолютная шероховатость для трубопроводов из различных материалов

Материал труб	Значение , мм
Чугунное литье	0,25
Стальные холоднотянутые и холоднокатаные	0,04
Стальные горячекатаные	0,04
Медные, латунные, свинцовые	0,0015-0,01
Алюминиевые и из алюминиевых сплавов, холоднотянутые	0,0015-0,06
Стеклянные	0,0015-0,01
Рукава и шланги резиновые	0,03

В вышеприведенной формуле (8.1) потери давления в местных сопротивлениях определяются из соотношения

P

γζ b ^υ

^{М М} _2g , (8.10)

2

где _М – коэффициент местного сопротивления, численное значение которого может быть определено из справочной и учебной литературы [1, 6]; некоторые значения коэффициентов местных сопротивлений приведены в таблице 8.3;

b – поправочный коэффициент, приближенно учитывающий при ламинарном режиме зависимость коэффициентов местного сопротивления от критерия Re. При турбулентном режиме коэффициент _М не зависит от числа Re и поэтому коэффициент b = 1,0. Значение коэффициента b может быть определено по графику (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 – Зависимость поправочного коэффициента b = f(Re)

При определении местных потерь давления считают, что гидравлическая схема гидропривода известна, тогда тип и число местных сопротивлений можно определить на каждом отдельном участке гидропривода по схеме. При этом необходимо учитывать все повороты трубопроводов, изменение сечения трубопроводов, установку контрольно- регулирующей и распределительной аппаратуры, вспомогательных элементов гидропривода.

Таблица 8.3 – Значения коэффициентов местных сопротивлений для клапанов и соединений

Тип сопротивления	М
Распределитель золотниковый	3 – 5
Обратный и предохранительный клапаны	2 – 3
Дроссель	2 – 2,2
Самозапирающаяся муфта	1 – 1,5
Редукционный клапан	3 – 5
Фильтр	2 – 3
Внезапное расширение (вход в гидробак)	0,8 – 0,9
Внезапное сужение (выход из гидроцилиндра)	0,5 – 0,7
Штуцер, переходник	0,1 – 0,15
Колено с закруглением на 90° при соотношениях:	0,131
- r/R =0,1
- r/R =0,2	0,138
- r/R =0,3	0,158
- r/R =0,4	0,206
- r/R =0,5	0,294
- r/R =0,6	0,440
- r/R =0,7	0,661
- r/R =0,8	0,997
- r/R =0,9	1,408
- r/R =1,0	1,978
Резкий поворот трубы при углах поворота:	0,046
- 20°
- 40°	0,139
- 60°	0,364
- 80°	0,740
- 90°	0,985
- 100°	1,260
- 120°	1,861
- 140°	2,431
Для Т-образных тройников	0,5 – 1,5

Примечания: r – радиус трубопровода; R – радиус поворота трубопровода

Потери рабочего давления при прохождении рабочей жидкости через контрольно-регулирующую, распределительную и вспомогательную аппаратуру _Г определяются в соответствии с принятой схемой гидропривода. Величина потерь давления в гидроаппаратуре принимается из их технических характеристик или определяется расчетом местных потерь давления в гидроаппаратуре. Для этого необходимо учесть коэффициент местных сопротивлений гидроаппаратуры (таблица 8.3).

При расчете местных потерь давления можно объединить коэффициенты местных сопротивлений трубопроводов и гидроаппаратуры и получить общие результаты или считать отдельно.

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ГИДРОПРИВОДА И ФАКТИЧЕСКОГО УСИЛИЯ НА ШТОКЕ ГИДРОЦИЛИНДРА

Зная величину гидравлических потерь P, можно определить фактическое давление на поршень гидроцилиндра:

P_Ц = P_Н – P, (9.1)

т.е. фактическое давление на поршень гидроцилиндра будет меньше давления, развиваемого насосом.

Потери давления в системе гидропривода оцениваются гидравлическим КПД:

P_Ц

η_Г 

P_Н

_P_Н  P

P_Н

, (9.2)

где P_Н – давление, развиваемое насосом; P_Ц – давление в гидроцилиндре.

Обычно среднее расчетное значение _Г колеблется в пределах

0,85 0,95.

Объемные потери в гидроприводе происходят вследствие утечек жидкости через зазоры в элементах гидропривода. Примером объемных потерь может служить утечка жидкости в рабочем цилиндре между стенками цилиндра и плунжером, утечка жидкости в насосе, золотнике.

Общие потери жидкости в гидросистеме складываются из потерь в насосе q_Н , потерь в цилиндре гидродвигателя q_Ц, потерь в золотнике q_З:

Q = q_Н + q_Ц + q_З. (9.3)

Каждый из перечисленных видов потерь можно выразить через утечку, которая представляет величину утечки в л/мин, отнесенную к давлению в 1 МПа:

Q = _н·P_н + _ц·P_ц + _з·P_з, (9.4)

где _Н – удельная утечка жидкости в насосе, _Н = 0,03 ÷ 0,05 л/мин на

1 МПа;

_Ц – удельная утечка жидкости в гидроцилиндре,

_Ц = 0,0013 ÷ 0,0016 л/мин на 1 МПа;

_З – удельная утечка жидкости в золотнике,

_З = 0,0015 ÷ 0,0017 л/мин на 1 МПа;

P_Н – рабочее давление, развиваемое насосом; P_Ц – давление в гидроцилиндре;

P_З – давление в золотнике, принимаемое равным давлению P_Ц.

Потери расхода в гидросистеме могут быть оценены объемным КПД

_{η }Q_Н Q

^О . (9.5)

Q

Н

Среднее значение объемного КПД колеблется в пределах (0,9 ÷ 0,98).

Полный КПД гидропривода определяется по формуле

η η_Г η_О η_{М , (9.6)}

где _Г – гидравлический КПД гидропривода, учитывающий гидравлические потери в насосе, гидродвигателе, трубопроводе (определяется по формуле (9.2));

_О – объемный КПД гидропривода, учитывающий потери жидкости в насосе, гидроцилиндре, трубопроводе (определяется по формуле (9.5));

_м – механический КПД гидропривода, учитывающий потери мощности на преодоление сил трения в сальниках, манжетах, цилиндрах насоса и гидродвигателя, рассчитываемый по соотношению

^η_М ^η_МН ^η_МЦ , (9.7)

где, в свою очередь,

_МН – механический КПД насоса, равный (0,80 ÷ 0,90);

_МЦ – механический КПД гидроцилиндра, определяемый по формуле

η F^Ц

• F_ТР

^МЦ , (9.8)

F

Ц

где F_ТР – суммарное усилие трения в гидроцилиндре

(определяемое в разделе 2.4.2);

F_Ц – усилие, развиваемое гидроцилиндром, которое определяется по формуле

F_Ц P_Ц

πD²

4

, (9.9)

где D – внутренний диаметр гидроцилиндра.

После определения потерь давления в системе гидропривода и действительного давления в гидроцилиндре, можно рассчитать фактическую силу, передаваемую поршнем гидроцилиндра рабочему органу машины:

• при подаче рабочей жидкости в поршневую полость (толкающее усилие)

^FФтолк

P_Н

πD²

4

^η , (9.10)

• при подаче рабочей жидкости в штоковую полость (тянущее усилие)

^FФтян

P_Н

πD² d² 

4

^η , (9.11)

где d – диаметр штока;

– полный КПД гидропривода.

Если принятые параметры элементов гидропривода обеспечивают соотношение F_Ф > F, надежная работа гидропривода обеспечена; в противном случае (F_Ф < F) необходимо произвести перерасчет параметров гидропривода.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВАМ 4 – 9

1. Какая гидроаппаратура служит для изменения направления движения потока рабочей жидкости?

2. Как классифицируются гидрораспределители по способу управления?

3. Принцип работы кранового гидрораспределителя.

4. По каким признакам классифицируются золотниковые гидрораспределители?

5. Каково назначение двухходового гидрораспределителя?

6. Как подразделяются гидрораспределители по способу управления?

7. По каким параметрам выбираются гидрораспределители?

8. Какие функции выполняют обратный, редукционные, предохранительные клапаны?

9. Какие элементы объемного гидропривода относятся к

вспомогательным устройствам?

10. Принцип работы и назначение гидрозамка.

11. Каковы исходные параметры для определения внутреннего диаметра трубопровода гидропривода?

12. Допустимые скорости движения рабочей жидкости в гидролиниях.

13. Почему скорости движения рабочей жидкости в гидролиниях имеют ограничения?

14. В каких случаях применяют гибкие трубопроводы?

15. Виды потерь давления в системе гидропривода.

16. Как определяют местные потери давления в системе гидропривода?

17. Почему в системе гидропривода возникают потери рабочей жидкости?

18. Как определяется КПД гидропривода?