Основы расчета гидропривода машин. Учебно-методическое пособие

1 Общие положения

Проектирование и расчет гидропривода тесно связаны с конструкцией и особенностями эксплуатации проектируемых машин, разработкой принципиальных схем гидросистем, особенностями конструкций применяемого гидрооборудования, свойствами рабочих жид костей и требуют от специалистов всесторонних общеинженерных и специальных знаний.

Расчет основных параметров объемного гидропривода проводят в два этапа:

- определение основных параметров гидропривода, номенклатуры и типоразмеров гидрообо рудования;

- уточнение и оптимизация основных параметров гидропривода, проверка соответствия параметров вы бранного гидрооборудования условиям эксплуатации с мак симальными нагрузками и скоростями.

Исходными данными для расчета гидропривода являются: скорость рабочего органа, усилие или крутящий момент, реализуемые рабочим органом, КПД трансмиссии до и после системы гидропривода, температурный режим и др.

На основании опыта проектирования машин и оборудования аналогичного назначения составляется принципиальная гидравлическая схема, определяется базовая машина и уточняются ее технические ха рактеристики.

Разработка принципиальной схемы гидропривода является наиболее ответственным этапом, т.к. от структурной схемы (блочное изображение основных и вспомогательных компонентов с функциональными связями между ними) и принципиальной схемы (схемы со единения элементов) зависят все важнейшие показатели гидроприво да: внешняя характеристика, КПД, надежность, безопасность и др.

3

Принципиальная схема гидропривода неразрывно связана с машиной, для которой он проектируется. Поэтому исходными данными для выбора как элементов схемы, так и гидропривода в целом явля ются режим нагружения и диапазоны изменения нагрузок на рабочем органе, кинематика машины, кинематика и силовые характеристики источника энергии (двигателя) машины, а также условия и особенности эксплуатации машины.

Основными элементами гидропривода, присутствующими практически в любой гидросистеме, являются: насос, гидродвигатель (гидромотор, силовой или моментный гидроцилиндр), направляющая и регулирующая гидроаппаратура (клапаны, гидрораспределители, дроссели), кондиционеры рабочей жидкости (гидробаки, фильтры, теплообменники, гидроаккумуляторы и др.) и вспомогательное оборудование (трубопроводы, соединительная арматура, поворотные со единения, приборы измерения и др.).

Выбору указанных компонентов гидрооборудования применительно к конкретной машине предшествует решение общих вопросов, относящихся к гидросхеме в целом. В первую очередь это выбор спо соба регулирования и схемы циркуляции рабочей жидкости.

Расчет основных параметров гидропривода рекомендуется производить в следующем порядке:

1)выбирается номинальное давление в гидросистеме;

2)выбирается марка рабочей жидкости с учетом рабочего давле - ния, климатических условий и режима работы гидропривода, назначения машины;

3)по известным нагрузке и скорости движения рабочего органа рассчитываются основные параметры гидродвигателя и

4

выбирается его марка. Если гидродвигатель проектируется, то рассчитываются его параметры и размеры;

4)определяются диаметры и ориентировочные длины трубопро - водов;

5)выбирается регулирующая аппаратура (гидрораспределители, предохранительные, обратные и тормо зные клапаны, дроссели, гидрозамки и др.) и вспомогательное оборудование;

6)определяются гидравлические потери в магистралях;

7)определяются основные параметры насоса и выбирается его марка. При проектировании насоса рассчитываются его параметры и размеры;

8)определяется КПД гидропривода;

9)выполняется тепловой расчет и уточняется температурный диапазон работы гидропривода, объем гидробака, а также необходимость установки и требуемые характеристики теплообменника;

10)уточняются и оптимизируются основные параметры гидрооборудования и гидропривода, при необходимости проводятся динамические и другие виды расчетов.

Известно, что с увеличением рабочего давления снижаются вес и габариты гидросистемы, возрастает гидравлический КПД. Одновременно повышаются требования к точности изготовления и монтажа гидрооборудования, культуре эксплуатации и ремонта, качеству и чистоте ра бочей жидкости. Для объемного гидропривода современных путевых, строительных и грузоподъемных машин оптимальные значения давления составляют 32 -40 MПа. При выборе рабочего давления следует учитывать, что оно не должно превышать значение, при котором обеспечивается ра - ботоспособность элементов гидропривода в течение всего срока эксплуатации.

5

Для гидрооборудования таким значением давления явля - ется номинальное давление pH, . При переходных процессах могут возникать забросы (пики) давления. Значения пиковых давлений не должны превышать максимального давления ртах,, указываемого в технических характеристиках гидрооборудования. Продолжи тельность забросов давления не должна превышать 10-12 с. ГОСТ 12445-80 предусматривает следующий ряд стандартизованных значе -

ний номинальных давлений: 0,63; 2,5; 6,3; 10; (12,5); 14; 16; (20); 25; 32; (40); 50 МПа.

Для ограничения максимального давления в гидросистемах применяются предохранительные клапаны. Предохранительные клапаны могут устанавливаться между гидронасосом и гидрораспреде лителями (первичные клапаны) и/или между гидрораспределителями и соответствующим гидродигателем (вторичные клапаны). При наличии вторичных предохранительных клапанов в контурах соответствующих гидродвигателей могут устанавливаться различные максимальные рабочие дав ления для обеспечения условий работы каждого контура. В этом случае максимальное

давление, действующее в контуре конкретного гидродвигателя, будет определяться наименьшим давлением настройки предохранительных клапанов данного контура.

Ра6очую жидкость выбирают с учетом типа насосов, рабочего давления в гидросистеме и условий применения гидропривода.

В зависимости от эксплуатационных свойств и состава (наличия присадок) согласно ГОСТ 17479.3 -85* гидравлические масла делятся на группы:

А - минеральные масла без присадок (для гидросистем с шестеренными и поршневыми насосами, работающими при

6

давлении до 15 МПа и температурой масла в объеме до 80 °С);

Б - минеральные масла с антиокислительными и антикоррозионными присадками (для гидросистем с насосами всех типов, работающими при давлении до 25 МПа и температуре масла в объеме более 80 °С);

В - минеральные масла с антиокислительными, антикоррозионными и противоизносными присадками (для гидросистем с насосами всех типов, работающими при давлении свыше 25 МПа и температуре масла в объеме более 90 °С). ГОСТ 17479.3-85* допускает добавление в гидравлические масла всех групп заг ущающих и антипенных присадок.

С точки зрения снижения трудоёмкости и стоимости эксплуатации СДМ целесообразно применение всесезонных гидравлических масел.

При проектировании гидропривода применяемое гидрооборудование обычно не рассчитывается, а выбирает ся из серийно выпускаемого оборудования по номинальному давлению, расходу жидкости и условному проходу.

Подбор гидродвигателя и насосов производится в зависимости от величины и характера нагрузок .

Тип и марку гидрораспределителей вы бирают с учетом количества гидродвигателей, способа управления, назначения и особенностей работы гидросистемы. Для гидроприво дов, работающих в легких и средних режимах, обычно применяются моноблочные распределители с номинальным давлением 14 и 16 МПа. Для тяжелого и весьма т яжелого режимов эксплуатации применяются секционные и моноблочные гидрораспределители с номинальным давлением до 32 МПа.

7

Секционные распределители получили широкое распространение благодаря технологичности изготовления и большей ремонтопригодности. Гидравлическая схема секционного распределителя составля ется из напорной секции, требуемого числа рабочих секций (в соот ветствии с количеством гидродвигателей) и сливной секции.

Гидрораспределители имеют возможность стыкового присоединения к выходным гидролиниям дополнительного гидрооборудования: клапанов, гидрозамков, золотников с электромагнитным управлением («пилотов»)и др.

Обеспечивают защиту гидросис темы от повышенного давления при упоре рабочих органов в непре одолимые препятствия, разгоне и торможении, при возникновении ре - активных давлений в процессе работы и т.д. Количество, тип и марка, а также место установки предохранительных клапанов определяются на основании опыта проектирования машин аналогичного назначения.

Дроссели устанавливаются для ограничения скорости движения рабочих органов (преимущест венно при опускании с попутной нагрузкой). Тормозные клапаны ис пользуются для ограничения и стабилизации скорости движения ра бочих органов во всем диапазоне нагрузок. Для обеспечения свобод - ного пропускания рабочей жидкости в обратном направлении (обычно при подъёме или совершении рабочего хода) дроссели и тормозные клапаны оборудуются встроенными обратными клапанами. Тормозные клапаны, как правило, выполняют и функцию гидрозамков.

Гидрозамки служат для фиксации гидроцилиндров рабочих органов машины в заданном положении и исключения аварийных ситуаций в случае разрушения трубопроводов. Для обеспечения фиксации в заданном

8

положении гидромоторов применяются механические тормоза нормально-замкнутого типа.

Гидроаккумуляторы служат источником аварийного питания при отключении насоса, сглаживают пульсации давления в гидросистеме при колебаниях нагрузки, гасят гидроудары. Позволяют умень шить мощность насосов и повысить КПД гидросистемы за счет реку перации энергии.

Фильтры выбираются по требуемой тонкости очистки, расходу жидкости и номинальному давлению. При невозможности произвести очистку одним фильтром в сливную магистраль устанавливают параллельно несколько одинаковых фильтров. Для повышения эффективности фильтрации могут применяться частичнопоточные фильтры с большей тонкостью очистки, устанавливаемые параллель но основным фильтрам. Тонкость фильтрации основных фильтров зависит от назначения, условий работы и ресурса гидросистемы и выбирается из ряда ГОСТ 14066-68: 1, 2, 5,

10, 16, 25, 40, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250 мкм. В

гидросистемах СДМ обычно применяются фильтры с тонкостью фильтрации 25-40 мкм при работе с шестерен ными насосами, 10-25 мкм при работе аксиально -поршневыми гидромашинами. Номинальные расходы установлены ГОСТ 13825-80. Для техники, эксплуатируемой в условиях холодного климата, номиналь ный расход фильтров должен в 1,5 раза превышать максимальный расход в гидросистеме.

Вместимость гидробака, его форма, расположение и конструктивные особенности существенным образом влияют на работоспособность гидросистемы. Для машин с нетеплонапряженным гидроприводом (скреперы, автогрейдеры, автокраны и др.) вмести мость гидробака можно выбирать на основе теплового расчета, за давшись предельной установившейся температурой масла при макси мальной

9

температуре окружающего воздуха. Для машин с теплонапряженным гидроприводом (экскаваторов, фронтальных погрузчиков, катков и др.) вместимость гидробака выбирается конструктивно. Теп ловой баланс обеспечивается маслоохладителыюй установкой, пара метры которой определяются тепловым расчетом. . Затем объём и площадь теплоотдачи бака проверяет ся тепловым расчетом гидросистемы и согласовывается с ГОСТ 12448 -80. Номинальные ёмкости баков выбираются из ряда: 10; 16; 25,4;

40; 60; 63; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800;

1000; 1250; 1600; 2000; 2500 л. Наиболее распространены баки, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда.

При необходимости совмещения одновременной работы нескольких гидродвигателей вместимость гидробака должна обеспечивать уровень масла не менее 50 мм над верхним краем всасывающей патрубка бака при максимальном объеме заполнения полостей всех гидродвигателей (при полностью выдвинутых штоках гидроцилиндров) с учетом возможного крепа машины при работе на уклоне.

Расчет гидравлических потерь необходим для уточнения требуемого давления, развиваемого насосом, определения КПД гидропривода и уточнения типоразмера гидродвигателей. Гидросистема считает ся оптимально спроектированной, если потери давления не превыша ют 6 % от номинального давления в гидросистеме для машин обыч - ного климатического исполнения. Для машин северного исполнения потери давления в зимнее время не должны превышать 12 %, а в период разогрева - 20 % .

Потери давления в гидросистеме зависят от длины, диаметра и формы трубопроводов, скорости течения и вязкости рабочей жидкости, применяемого гидрооборудования. Поэтому перед расчетом необходимо по

10