- •Беляев в.В., Голутвин в.А., Подколзин а.А. Пискунов о.М. Основы расчета и проектирования объемНого гидропривоДа поступательного действия
- •Введение
- •Общие сведения
- •1. Цель и задачи выполнения курсовой
- •2.6 Защита курсовой работы
- •3 Методические указания по
- •3.1 План построения и содержание разделов расчетно-пояснительной записки
- •1) Введение
- •3.2 Методические указания по разработке принципиальной гидравлической схемы
- •3.2.1 Ограничение давления
- •3.2.2 Разгрузка насосов от давления
- •3.2.3 Управление направлением движения штока с
- •3.2.4 Запирание полостей гидроцилиндра гидрозамками
- •3.2.5 Схемы установки фильтров
- •3.2.6 Синхронизация движения рабочих органов
- •3.2.7 Схемы соединения гидрораспределителей
- •3.2.8 Примеры принципиальных гидравлических схем
- •3.3 Методические указания по выполнению расчетов
- •3.4 Оформление пояснительной записки
- •3.5 Оформление графической части курсовой работы
- •Тема "Разработать объемный гидропривод машины"
- •Основы расчета и проектирования объемного гидропривода поступательного действия
- •300600 Г. Тула, просп. Ленина, 92
- •300600, Г. Тула, ул. Болдина, 151
3.3 Методические указания по выполнению расчетов
гидросистемы
3.3.1. Расчет и выбор гидроцилиндра
Расчетное значение диаметра гидроцилиндра D2Р определяется по формуле:
, (3.1)
где P2P - расчетное давление рабочей жидкости на входе в гидроцилиндр; F2 - усилие на штоке; мех - механический КПД гидроцилиндра (рекомендуется принимать мех=0,95…0,96).
Давление P2P предварительно принимается равным
Р2Р = (0,85…0,9)·РН, (3.2)
где PН - номинальное давление в гидросистеме.
Давление жидкости, возникающее в штоковой полости гидроцилиндра и сливной гидролинии, не учитываем из-за его малого значения. По расчетному значению диаметра D2Р по таблице 3.1, в которой приведены параметры гидроцилиндров для давлений РН = 16 и 20 МПа, принимают ближайшее большее значение диаметра D2. Диаметр штока d2 принимают по таблице 3.1, предварительно задавшись значением параметра =1,25 или 1,6.
Таблица 3.1 - Параметры гидроцилиндров общего
назначения
d2, мм |
63 |
80 |
100 |
110 |
125 |
140 |
160 |
180 |
200 |
|
d2; мм, при |
1,25 |
28 |
36 |
45 |
50 |
56 |
63 |
70 |
80 |
90 |
1,6 |
40 |
53 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
125 |
Для принятого диаметра D2 рабочее давление жидкости Р2 у гидроцилиндра составит
. (3.3)
Расход жидкости, подводимой в поршневую полость гидроцилиндра, составит
, (3.4)
где υ2 – заданная скорость движения поршня; 0 – объемный КПД гидроцилиндра, который для новых гидроцилиндров с манжетными уплотнениями можно принять 0=1.
3.3.2. Расчет и выбор гидронасоса
Расчетная подача гидронасоса Q1P определяется из условия неразрывности потока жидкости, которое с точностью до утечек в гидролиниях и гидроаппаратуре, что допустимо на стадии предварительного расчета, имеет вид
. (3.5)
Тогда расчетный рабочий объем гидронасоса VОР определяют по формуле
, (3.6)
где n1 - номинальная частота вращения вала насоса, с-1; 01 – объемный КПД гидронасоса, который предварительно можно принять равным 01=0,9...0,95.
При выборе типа гидронасоса необходимо в первую очередь учитывать уровень номинального давления. Аксиально-поршневые гидронасосы рассчитаны на высокие значения номинального давления. Они имеют также более высокие объемный и полный КПД по сравнению с гидронасосами других типов. Поэтому для условий задания на контрольно-курсовую работу целесообразно ориентироваться на аксиально-поршневые гидронасосы, параметры ряда которых приведены в таблице 3.2. Возможно использование и других справочных материалов.
Таблица 3.2 ─ Основные параметры аксиально-поршневых гидронасосов
Тип насоса |
Рабочий объем, см3 |
Номинальное давление, МПа |
Частота вращения, мин-1 |
КПД |
Масса, кг |
|
Объемный 0 |
Полный |
|||||
МНА |
10 |
20 |
1500 |
0,94 |
0,91 |
6,6 |
16 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
16,5 |
|
25 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
17,5 |
|
40 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
59,0 |
|
63 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
59,5 |
|
100 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
93,0 |
|
125 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
93,0 |
|
210 |
11,6 |
16 или 20 |
3000 |
0,95 |
0,85 |
5,5 |
28,1 |
16 или 20 |
2000 |
0,95 |
0,91 |
12,5 |
|
54,8 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
23,0 |
|
107 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
52,0 |
|
225 |
20 |
1500 |
0,95 |
0,91 |
100,0 |
|
310 |
56 |
20 |
1500 |
0,96 |
0,91 |
23,0 |
112 |
20 |
1500 |
0,96 |
0,91 |
41,0 |
|
224 |
20 |
1500 |
0,96 |
0,91 |
86,0 |
|
НА |
33 |
16 |
1500 |
0,91 |
0,85 |
14,0 |
С учетом фактических параметров принятого гидронасоса действительная его подача будет равна
, (3.7)
где V01 и 01 - рабочий объем и объемный КПД принятого типоразмера гидронасоса; n1 - частота вращения вала гидронасоса по условиям задания.
3.3.3. Выбор рабочей жидкости
Первоначально необходимо выбрать условия применения гидрофицированной машины или оборудования: при отрицательных температурах; при положительных температурах в закрытых помещениях; при положительных температурах на открытом воздухе.
Аксиально-поршневые насосы работают на чистых (тонкость фильтрации 25 мкм) рабочих жидкостях ВМГЗ, МГ-20 или МГ-30 в зависимости от условий применения гидропривода. Технические характеристики этих рабочих жидкостей приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 - Технические характеристики рабочих
жидкостей
Марка
|
Плотность при 50 0С, кг/м3 |
Кинематическая вязкость ν при 50 0С, 10-4 м2/с |
Температурные пределы применения, 0С |
Условия применения гидропривода |
ВМГЗ |
860 |
0,1 |
-40 ÷ +65 |
При отрицательных температурах |
МГ-20 |
985 |
0,2 |
-10 ÷ +80 |
При положительных температурах в закрытых помещениях |
МГ-30 |
980 |
0,3 |
+5 ÷ +85 |
При положительных температурах на открытом воздухе |
3.2.4. Расчет и выбор гидроаппаратов
Расчет элементов гидроаппаратуры приводится в соответствующей литературе. Выбор гидроаппаратуры производится, прежде всего, по давлению и расходу рабочей жидкости в точке установки. Необходимо учитывать также функциональные особенности подбираемой гидроаппаратуры. Ниже указаны только основные технические характеристики, необходимые для выбора этой гидроаппаратуры.
Гидрораспределитель служит для включения, выключения и реверсирования движения штока гидроцилиндра. Технические характеристики распределителей типа Р на номинальное давление Рн=16 МПа приведены в таблице 3.4, гидрораспределителей типа Г74-2 на Рн=20 МПа - в таблице 3.5, моноблочных гидрораспределителей на Рн=32 МПа - в таблице 3.6. Схемы исполнений реверсивных золотников с ручным управлением типа Г74-2 приведены в приложении Д.
Таблица 3.4 - Технические характеристики распределителей
типа Р
Параметры |
Типоразмер |
|||
Р-16 |
Р-20 |
Р-25 |
Р-32 |
|
1 Расход жидкости, дм3/мин |
63 |
100 |
160 |
250 |
2 Давление номинальное, МПа |
16 |
16 |
16 |
16 |
3 Внутренние утечки не более, дм3/мин |
0,05 |
0,05 |
0,075 |
0,1 |
4 Потери давления, МПа |
0,2 |
0,48 |
0,52 |
0,52 |
Таблица 3.5 - Технические характеристики распределителей
типа Г-74-2 (см. также приложение Д)
Параметры |
Типоразмер |
||
Г74-22 |
Г74-24 |
Г74-25 |
|
1 Расход жидкости, дм3/мин |
18 |
70 |
140 |
2 Давление номинальное, МПа |
20 |
20 |
20 |
3 Внутренние утечки, не более, дм3/мин |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
4 Потери давления, МПа |
0,15 |
0,3 |
0,3 |
Таблица 3.6 - Технические характеристики моноблочных
гидрораспределителей
Параметры |
Условный расход, мм |
|||
16 |
20 |
32 |
40 |
|
1 Расход жидкости, дм3/мин |
90 |
160 |
360 |
600 |
2 Давление номинальное, МПа |
32 |
32 |
32 |
32 |
3 Внутренние утечки не более, дм3/мин |
0,09 |
0,115 |
0,115 |
0,115 |
4 Потери давления, МПа |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
0,5 |
Предохранительный гидроклапан предназначен для защиты гидропривода от давления, превышающего установленное. Технические характеристики предохранительных гидроклапанов типа БГ 52 приведены в таблице 3.7.
Таблица 3.7 - Технические характеристики предохранительных гидроклапанов БГ 52
Параметры |
Типоразмеры БГ 52 - |
||||||
13 |
14 |
15А |
15 |
16 |
17А |
17 |
|
1 Расход, дм3/мин |
35 |
70 |
100 |
140 |
280 |
400 |
560 |
2 Давление номинальное, МПа |
5-20 |
5-20 |
5-20 |
5-20 |
5-20 |
5-20 |
5-20 |
3 Масса, кг |
7 |
7 |
12 |
12 |
19 |
38 |
38 |
Гидрозамок представляет собой управляемый обратный клапан и служит для фиксации штока выключенного гидроцилиндра в требуемом положении. Технические характеристики гидрозамков типа КУ приведены в таблице 3.8.
Таблица 3.8 - Технические характеристики гидрозамков КУ
Параметры |
Типоразмеры КУ |
|||||
-16 |
-20 |
-25 |
-32 |
-40 |
-50 |
|
1 Расход, дм3/мин |
40 |
63 |
100 |
160 |
250 |
400 |
2 Давление номинальное, МПа |
32 |
32 |
32 |
32 |
32 |
32 |
Продолжение таблицы 3.8
3 Потери давления, не более, МПа |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
4 Утечки в сопряжении клапан-седло, см3/мин |
4,98 |
4,98 |
7,98 |
7,98 |
15,0 |
20,05 |
5 Масса, кг |
11,8 |
13,1 |
19,8 |
17,4 |
39,4 |
71,5 |
Фильтр служит для очистки рабочей жидкости от твердых загрязнителей. Выбор типа фильтра производится по требуемой тонкости очистки, расходу рабочей жидкости через фильтр и давлению в гидролинии гидропривода. Технические характеристики некоторых фильтров приведены в таблице 3.9.
Таблица 3.9 - Технические характеристики фильтров
Тип фильтра |
Тонкость фильтрации, мкм |
Номинальный расход, дм3/мин |
Давление, МПа |
1.1.20-25 |
25 |
40 |
0,63 |
1.1.20-25 |
25 |
63 |
0,63 |
1.1.32-25 |
25 |
100 |
0,63 |
1.1.40-25 |
25 |
160 |
0,63 |
1.1.50-25 |
25 |
250 |
0,63 |
ФП7-10-10 |
25 |
16 |
20 |
ФП7-16-10 |
25 |
40 |
20 |
ФП7-20-10 |
25 |
63 |
20 |
ФП7-25-10 |
25 |
100 |
20 |
Гидробак служит для размещения рабочей жидкости, дополнительной очистки жидкости от загрязнений за счет оседания твердых частиц, а также охлаждения жидкости выделением тепла через внешние поверхности бака в окружающую среду.
Объем бака ориентировочно определяется по формуле
, дм3 (3.8)
где Q1 - подача гидронасоса, дм3/мин.
Номинальную вместимость бака принимают в соответствии с рекомендациями ГОСТ 16770 из ряда значений (дм3): ... 25; 40, 63; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800 ... .
3.3.5 .Расчет гидролиний
Расчетный внутренний диаметр гидролиний определяется по формуле
, (3.9)
где Q - расход жидкости на рассматриваемом участке, м3/с; υд - допускаемая скорость движения рабочей жидкости в трубопроводе:
для всасывающего трубопровода υд=0,5...1,5 м/с;
для сливного трубопровода υд=1,5..,2,5 м/с;
для напорного трубопровода при
PH10 МПа и ℓ < 10 м υд=5...6 м/с.
Расчетное значение внутреннего диаметра (в мм) округляется до ближайшего стандартного по ГОСТ 8732 или ГОСТ 8734: ... 7; 9; 12; 15; 16; 22; 28, 36; 44; 56; 67; 86, ... . Эти значения диаметров выбираются при номинальном давлении в гидросистеме от 10 до 20 МПа.
По принятому диаметру определяется действительная скорость движения жидкости в напорном, сливном и всасывающем трубопроводах:
, (3.10)
Расчет гидравлических потерь в напорной гидролинии производится с учетом потерь давления по длине трубопровода РТ, потерь давления в местных сопротивлениях трубопровода РМ и потерь давления в гидроаппаратах РГА.
Потери давления по длине трубопровода определяются по формуле
, (3.11)
где - плотность рабочей жидкости; - коэффициент гидравлического трения ; l - длина гидролинии; υ - скорость движения жидкости; d - внутренний диаметр напорной гидролинии.
Для определения коэффициента гидравлического трения сначала необходимо определить режим движения жидкости, для чего определяется значение числа Рейнольдса по формуле
, (3.12)
где ν – кинематическая вязкость рабочей жидкости.
Если Re<2300 ,то режим движения жидкости ламинарный, а в случае Re>2300 - турбулентный.
При ламинарном движении жидкости коэффициент гидравлического трения с учетом теплообмена с окружающей средой через стенки трубопровода определяется по формуле
, (3.13)
При турбулентном движении коэффициент гидравлического трения зависит не только от числа Рейнольдса, но и от относительной шероховатости трубы , где - эквивалентная шероховатость стенок трубопровода. Для новых стальных бесшовных труб можно принимать =0,03 мм.
При турбулентном режиме течения различают три области сопротивления трубопровода, характеризующиеся различным соотношением относительной шероховатости трубопровода и числа Рейнольдса.
а) область гидравлически гладких трубопроводов
Шероховатостью стенок можно пренебречь и считать трубу гидравлически гладкой, если произведение . Тогда определяется по формуле Блазиуса
, (3.14)
б) переходная или доквадратичная область сопротивления
Если , то коэффициент гидравлического трения в переходной зоне и зоне вполне шероховатых труб может определяться по формуле
. (3.15)
в) квадратичная область
При больших числах Рейнольдса коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формуле
.
Потери давления в местных сопротивлениях определяются по формуле
, (3.16)
где - коэффициент местного сопротивления.
В качестве местных сопротивлений учитываются: входы в гидрораспределитель, гидрозамок и гидроцилиндр (1=2=3=0,8...0,9); место присоединения гидролинии предохранительного гидроклапана к напорной гидролинии (1=0,2) и два закругленных колена (5=6=0,15).
Действительные потери давления в гидрораспределителе и гидрозамке определяются по формулам:
; (3.17)
; (3.18)
где PPH и PЗH номинальные потери давления в гидрораспределителе и гидрозамке в соответствии с их техническими характеристиками; QPH и QЗH - номинальные расходы рабочей жидкости через гидрораспределитель и гидрозамок в соответствии с их техническими характеристиками; Q1 - подача гидронасоса рассчитанная по формуле (3.7).
Суммарные потери давления в гидроаппаратах
, (3.19)
Суммарные потери давления в напорном трубопроводе определяются по формуле
, (3.20)
В правильно рассчитанной напорной гидролинии суммарные потери давления не должны превышать 5...6 % номинального давления.
При этом
, (3.21)
где Р2 - давление у гидроцилиндра, рассчитанное по формуле (3.3).
3.3.6. Тепловой расчет гидропривода.
Энергия, затраченная на преодоление различных сопротивлений в гидроприводе, в конечном итоге превращается в теплоту, что вызывает нагрев рабочей жидкости и нежелательное снижение ее вязкости. Приближенно считается, что полученная с рабочей жидкостью теплота должна отдаваться в окружающую среду через поверхность бака.
Тепловой поток через стенки бака эквивалентен потерянной мощности N
, (3.22)
где N1 - мощность гидронасоса; N2П - полезная мощность на штоке гидроцилиндра.
Мощность гидронасоса
, (3.23)
где Q1 - подача гидронасоса, определенная по формуле (3.7); Р1 - давление гидронасоса, рассчитанное по формуле (3.21); 1 - полный КПД гидронасоса в соответствии с его технической характеристикой.
Полезная мощность определяется по формуле
, (3.24)
где F2 - усилие на штоке в соответствии с заданием; υ2 - действительная скорость движения штока.
Действительная скорость движения штока υ2 определяется по формуле
, (3.25)
где QP - утечки рабочей жидкости в гидрораспределителе, принимаемые в соответствии с его технической характеристикой.
Утечки жидкости в предохранительном гидроклапане не учитываем из-за их малости.
Потребная площадь поверхности охлаждения
, (3.26)
где k0 - коэффициент теплопередачи, который при отсутствии обдува не превышает 15 Вт/м2, tЖ - температура жидкости (60…70 0С), tВ - температура воздуха.
3.3.7. Расчет внешней характеристики гидропривода.
Применительно к проектируемому гидроприводу под внешней характеристикой понимают зависимость скорости перемещения штока гидроцилиндра от усилия на штоке . Для построения графика внешней характеристики необходимо задаться несколькими (не менее 4…5) значениями F2i в пределах 0F2iF2. Каждому значению усилия F2i соответствует давление p2i гидроцилиндра, которое определяется по формуле
. (3.27)
Поскольку потери давления в напорном трубопроводе практически не зависят от давления в напорном трубопроводе, то соответствующие значения давления P2i у гидронасоса определяются по формуле
, (3.28)
где Р - потери давления, рассчитанные по формуле (3.20).
С увеличением давления Р1i возрастают утечки рабочей жидкости в гидронасосе Q1i и в гидрораспределителе QРi. Поэтому действительная подача рабочей жидкости в гидроцилиндр с возрастанием усилия F2i уменьшается. В связи с этим уменьшается и скорость движения штока υ2i, значение которой определяется по формуле
, (3,29)
где Q1T - теоретическая подача гидронасоса; Q1i и QРi - утечки рабочей жидкости в гидронасосе и гидрораспределителе.
При этом
, (3.30)
, (3.31)
, (3.32)
где a1 и a2 - коэффициенты утечек для гидронасоса и гидрораспределителя.
Коэффициенты утечек определяются по формулам
, (3.33)
, (3.34)
где 01 - объемный КПД гидронасоса в соответствии с его технической характеристикой; QP - утечки принятого гидрораспределителя в соответствии с его технической характеристикой; PH - номинальное давление.
По полученным данным строится график зависимости . Далее необходимо оценить степень снижения скорости движения штока при изменении усилия F2i от нуля до F2.
, (3.35)
где υ20 - скорость движения штока при F2=0.