Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Структурный синтез аппаратной реализации алгоритмов работы цикловых систем. Учебное пособие
.pdf
.)(4
p
(9.9)
uQd
ТД
С другой стороны, значение скорости
u ограничивается требовани-
Т
ями ламинарного режима течения рабочей жидкости, который возможен
при значениях критерия Рейнольдса 24002000Re
.
Для движения жидкости в круглых трубах критерий Рейнольдса вы-
ражается через скорость движения жидкости
нематическую вязкость рабочей жидкости
Re ,
du
УТ
кинематическая вязкость рабочей жидкости
u , диаметр трубы Уd и ки-
Т
, м2⁄с:
подбирается по табл. 9.1.
С учетом этого условия расчетный условный проход трубопровода
должен быть:
По величине
d подбирается из справочника на трубопроводы бли-
У
2400
u
Т
d
У
жайшее из нормального ряда значение условного прохода
Q
13,1
.
u
Т
d . Стандарт
У
предусматривает следующие значения условных проходов, мм: 2,5; 3,2;
4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0; 63,0; 80,0;
100,0; 125,0; 160,0; 200,0; 250,0. По величине
d выбирают подходящие
У
типоразмеры трубопроводов и арматуры (соединений и присоединений).
Таблица 9.1
Характеристики рабочих жидкостей
Рабочее
давление
в системе
, МПа
≤ 3
≤7
≥10
Рекомендуемая
кинематическая
вязкость рабочей
жидкости
(0,1÷0,2)·10
(0,35÷0,63)·10
(0,6÷0,8)·10
, м2/с
-4
-4
-4
минерального
Марка
масла
И-20А
И-40А
И-50А
Кинематическая
вязкость масла
, м2/с
-4
0,17÷0,23)·10
(0,35÷0,45)·10
(0,45÷0,55)·10
-4
-4
Плотность
масла
, кг/м
885
895
910
3
Внешний объем
ваются так:
s – толщина стенки трубопровода; Тl – суммарная длина трубопрово-
где
Т
дов;
– плотность материала трубопроводов.
Т
Гидро- и пневмоаппаратуру первоначально выбирают по условному
проходу
d из каталогов-справочников на гидро- и пневмооборудование.
У
Кроме того, ориентиром может служить рекомендуемый в технической характеристике аппарата номинальный расход
V и масса Тm трубопроводов приближенно оцени-
Т
2
, (9.10)
Q . Внешний объем и мас-
НОМ
lssdmlsdV
)(;4)2(
ТТТТУТТТУТ
101
са аппаратов существенно зависят от условного прохода Уd , поэтому до-
пускается выбирать аппараты с уменьшенным до полутора раз условным
проходом. Трубопроводы при этом остаются прежние. После первоначального выбора типоразмеров трубопроводов и аппаратов рассчитывают гидравлические потери давления на выделенных элементарных участках привода. В качестве основной гидравлической характеристики каждого элементарного участка привода (линии, местного сопротивления или
та) удобно использовать эффективную площадь
F или Эf проходного се-
Э
аппара-
чения.
У однородного трубопровода при течении жидкости:
dlFF
; (9.11)
ТЭ
при течении сжатого воздуха:
2
4
dF
Площадь
проходного сечения трубопровода определяет-
Т
ТЭ
ся по выбранному условному проходу
dd
. Длина l участка трубопро-
У
.)ln()2(
ppndlFF
0
(9.12)
вода назначается приближенно в соответствии с предлагаемой компоновкой привода на машине. Коэффициент
гидравлического сопротивления
трубопровода определяется по применяемым в гидравлике эмпирическим
зависимостям. При этом целесообразно уточнить расчетную скорость течения рабочей среды в трубах. Для напорной и сливной линий гидропривода
вода
и
FQu
ТД
pFRTGu
. Для напорной и выхлопной линий пневмопри-
FQu
ТС
и
)()(
ДТДД
.
)()(
pFRTGu
СТСС
При установившемся движении выходного звена привода процесс
течения рабочей среды в трубопроводах можно принять изотермическим,
а температуру – соответствующей температуре окружающей атмосферы
(
ТТТ ). Получаемые средние скорости в сечениях участков тру-
АТСД
бопровода близки к рекомендуемым и далеки от скорости звука
kRTu
. Следовательно, режим течения воздуха в трубах будет, как
ЗВ
правило, докритическим. Величиной
ppn0lg2 в формуле (9.12) во
многих случаях можно пренебречь. Однако после определения давлений
и p в начале и в конце участка трубопровода необходимо сравнить
p
0
этот член с
F трубопровода.
Э
dl и, если нужно, скорректировать эффективную площадь
Для местных сопротивлений в виде изгиба трубопровода, сужения
и расширения каналов в переходных деталях можно принять:
FF
где
, (9.13)
– коэффициент местного сопротивления, определяемый по
М
МТЭ
справочным данным.
102
Эффективные площади Эf проходных сечений аппаратов (распреде-
p
p
p
лителей, фильтров, клапанов) находят по экспериментальным данным,
приведенным в каталогах на гидро- и пневмооборудование. В технических
характеристиках гидроаппаратов экспериментальные данные могут быть
представлены в виде графиков зависимости перепада давления от расхода
или в виде одного значения перепада давления p при фикси-
)(Q
рованном (номинальном) расходе Q через аппарат. Первый вариант не
требует определения эффективной площади
f . Для второго значение Эf
Э
определяется по уравнению:
Э
. (9.14)
pQf
)2(
В технических характеристиках пневмоаппаратов эксперименталь-
ные данные могут быть представлены графиками )(
ленном давлении
сированных объемных расходах
k , характеризующим пропускную способность пневмоаппарата. В этом
V
p на входе в аппарат; перепадом давления
0
Q и давлениях 0p на входе; параметром
0
Q
при опреде-
при фик-
случае
.)(2
pppRTpQf
Под пропускной способностью пневмоаппарата
расход
ды:
Э
Q воды плотностью 1000
В
5
1098,0 Вp Па. Из уравнения для определения объемного расхода во-
10002
pfQ
ВВ
после подстановки числовых значений величин
В
0000
кг/м3 при перепаде давления
(9.15)
k подразумевается
V
получим зависимость для определения эффективной площади проходного
сечения аппарата
Размерность
в м3/ч величина
k
V
14
Qf , м
ВЭ
Q должна быть выражена в системе СИ, поэтому при
В
kQ
VВ
2
.
при
,3600
в л/мин
k
V
.
kQ 06,0
VВ
Потерю (перепад) давления на клапане с подпружиненным запорнорегулирующим элементом определяют по перепадно-расходной характеристике в соответствии с настройкой клапана (поджатием пружины).
Гидравлические потери давления в объемном приводе при установившемся движении выходного звена рассчитывают отдельно для напорной и сливной (выхлопной) линий привода. При этом за основу принимают
принцип наложения гидравлических потерь, согласно которому
n
Д
,;
i
ДiД
n
С
pppp (9.16)
i
СiС
11
и
где
p
Дi
p – гидравлические потери давления в отдельных последо-
Сi
вательно расположенных элементарных участках напорной и сливной (выхлопной) линиях привода;
nn , – числа указанных участков.
СД
103
Под гидравлической потерей давления на каждом трубопроводе
p
и аппарате подразумевается разность давлений:
ppp
p и p – давления в начальном и конечном сечениях трубопровода
где
0
,
0
или аппарата по направлению течения рабочей среды.
Для гидроприводов последовательность расчета гидравлических потерь давления в элементах напорной и сливной линий безразлична, но для
расчета пневмоприводов в связи с изменением плотности при течении рабочей среды приходится придерживаться определенного порядка определения гидравлических
потерь давления. Для единообразия примем такую
последовательность.
Гидравлические потери в напорной линии привода целесообразно
рассчитывать, начиная с элемента (трубопровода или аппарата), ближайшего к насосу, аккумулятору или ресиверу. При этом известной величиной
в начале каждого расчета будет давление
Перед первым элементом .
Для каждого последующего 1
0 АТНОМ
i -го элемента начальное давление
p в начальном сечении участка.
0
ppp
получится вычитанием потери давления на предыдущем элементе:
.
ppp
,01,0 iii
Потери давления в трубопроводе при изотермическом течении
жидкости или газа будут выражаться уравнениями:
(9.17)
2
00 ЭДТ
2
;))(2(
FQp
ЭДТ
2
.)(
0
FGRTppp (9.18)
Потери давления в гидро- и пневмоаппаратах при установившемся
движении привода рассчитываются по уравнениям:
p (9.20)
А
(9.19)
2
00
2
;))(2(
fQp
ЭДА
2
G
RTpp
222
Д
0
.
f
Э
Потери давления в местных сопротивлениях можно рассчитать по
уравнениям (9.19) и (9.20), подставив вместо
f значение ЭF , найденное
Э
по уравнению (9.13).
Гидравлические потери давления в сливной (выхлопной) линии привода приходится рассчитывать, начиная от выхода в бак или атмосферу,
где давление .
элемента должно быть известно давление
pp
При этом перед расчетом каждого последующего
АТ
в конечном его сечении. Для
(1i )-го элемента .
1 iii
ppp
Эта особенность приводит к видоизме-
нению расчетных формул.
104
Потери давления в трубопроводе при изотермическом течении жид-
кости и сжатого воздуха определяются по формулам:
2
2
0
(9.21)
;))(2(
FQp
ЭТ
2
(9.22)
.)(
pFGRTpp
ЭСТ
Потери давления в аппаратах сливной и выхлопной линий рассчиты-
ваются по формулам:
0 ЭCА
2
(9.23)
;))(2(
fQp
ЭСА
2
(9.24)
.)()2(
fGRTp
Гидравлические потери в местных сопротивлениях для рассматриваемой линии привода определяются зависимостями (9.23, 9.24) при подстановке вместо
Суммарные потери давления в напорной
ной)
p привода находят по (9.16); давления
С
значения
f
Э
, найденного по уравнению (9.13).
F
Э
p и сливной (выхлоп-
Д
p и
p в рабочих камерах
Д
С
объемного двигателя – по уравнениям (9.3); гидравлический КПД линии
и аппаратов определяется уравнением:
.)()(
pppp
(9.25)
АТНСДДГА
Полученное значение
ском расчете (
ГА
ректирования условного прохода
сравнивают с принятым при энергетиче-
ГА
90,0...75,0
). Если делают вывод о необходимости кор-
d , то выполняют вторичный выбор гид-
У
ро- или пневмолиний и аппаратов по справочникам или каталогам на гидро- или пневмооборудование. Допускается выбирать аппараты с уменьшенным, по сравнению с трубопроводами, условным проходом
d . При
У
этом вновь оценивают внешний объем и массу трубопроводов и аппаратов
по уравнениям (9.10) и справочным данным. Далее повторяют полный
гидравлический расчет привода. Перед этим корректируют величину
по уравнению (9.7) и по полученным значениям
давления
pp , по (9.8); плотности
ДС
, – по (9.6); расходы
СД
p и
Д
p уточняют
С
p
GG , –
СД
по (9.5). В большинстве случаев для выбора трубопроводов и аппаратов
оказывается достаточным двух-трех приближений.
В процессе проектирования объемного привода необходимо определить компоновку гидро- или пневмоаппаратов на машине. Для удобства обслуживания и безопасности наружных утечек целесообразно аппараты размещать на панели насосной установки. Однако в сложных
гидросистемах гидроаппараты
приходится группировать вблизи гидро-
двигателей.
Гидро- и пневмоустройства можно соединять трубопроводами, плитами стыкового или модульного монтажа. Соответственно этому промышленность выпускает аппараты трубного (резьбового) соединения, стыково-
105
го и модульного исполнения. Соединение трубами наиболее универсально,
но громоздко и не всегда удобно для монтажа и эксплуатации. У гидрои пневмоаппаратов стыкового исполнения все каналы подвода, отвода,
слива и управления выведены на одну наружную поверхность, по которой
происходит стыковка. Аппараты между собой соединяют плитой стыкового монтажа, в которой выполнены
соединительные каналы и крепежные
отверстия. Соединения плит и аппаратов уплотняют круглыми резиновыми
кольцами, расположенными в углублениях на плитах. Унификация присоединительных и монтажных отверстий стыковых плоскостей позволяет
беспрепятственно заменять аппараты и упрощает условия эксплуатации
и ремонта оборудования.
Гидро- и пневмоаппараты модульного исполнения имеют две стыко-
вые плоскости с одинаковыми координатами
присоединительных отвер-
стий, расположенных сверху и снизу корпуса.
Модульные аппараты соединяют между собой непосредственно или
через соединительные плиты модульного монтажа. В результате получают
единый пакет, замыкаемый сверху и снизу распределителем или плитойзаглушкой.
Для управляющих частей объемных гидроприводов промышленностью выпускается модульная аппаратура миниатюрного исполнения. Применение гидроаппаратов модульного исполнения упрощает
изготовление
гидроприводов.
9.2. Гидравлический расчет привода
и выбор трубопроводов и аппаратов
Цель расчета: определить проходные сечения трубопроводов и аппаратов, обеспечив их минимальные массы и габариты при допустимых
потерях энергии.
В инженерной практике при первом приближении (в данной работе
выполняется только первое приближение) проходные сечения выбираются
на основании рекомендуемых значений скорости течения рабочей жидкости. Затем оцениваются массовые показатели трубопроводов и
аппаратов,
а также рассчитываются гидравлические потери в них. Допустимые гидравлические потери давления при энергетическом расчете гидросистемы
выражают в виде гидравлического КПД линий и аппаратов.
Во втором приближении корректируются проходные сечения в соответствии с проведенной оценкой масс трубопроводов и рассчитываются
потери давления. Двух-трех расчетов оказывается достаточно.
Алгоритм расчета
1. Расход жидкости в напорной камере двигателя, необходимый для
быстрого подвода согласно уравнениям (9.4), находится по формуле:
106
vQ
, (9.26)
БПБП
4
ДО
22
dD
)(
где
– объемный КПД двигателя, зависящий от утечек рабочей жидкости
ДО
(определяется по данным каталога-справочника на гидрооборудование).
Для гидромоторов
Для гидроцилиндров
Для насосов
= 0,75…0,98.
ДО
= 0,70…0,90.
ДО
= 0,98…1,00.
ДО
2. Расход в сливной камере при быстром подводе:
FvQ
. (9.27)
ДОБПСБП
При дифференциальной схеме включения гидроцилиндра для быст-
рого подвода расход определяется по формуле:
2
. (9.28)
vQ
d
БПСБП
4
ДО
3. Расход в напорной камере при рабочем ходе:
2
. (9.29)
vQ
D
ММ
4
ДО
4. Расход в сливной камере при рабочем ходе:
vQ
. (9.30)
МСМ
4
ДО
22
dD
)(
5. Расход в напорной камере при быстром отводе:
. (9.31)
БОБО
4
vQ
ДО
22
dD
)(
6. Расход в сливной камере при быстром отводе:
2
. (9.32)
vQ
D
БОСБО
4
ДО
7. Определяется основной параметр трубопроводов и гидроаппаратов –
условный проход
d по уравнению (9.9) или, исходя из потребляемого гид-
У
родвигателем расхода рабочей жидкости и скорости ее течения в трубах, по
формуле:
Q
Полученные значения
d 13,1 . (9.33)
У
d округляются до стандартных из нормаль-
У
Д
u
Т
ного ряда, приведенного выше.
8. Рассчитывается толщина стенки трубы
, м по формуле:
s
T
107
pd
p
p
У
])[2(
Р
, (9.34)
s
Т
где
– наибольшее давление, Па; ][
– допустимое напряжение при рас-
Р
тяжении, Па.
Для стальных труб
= 25 МПа.
][
Р
= (40 ÷ 60) МПа, для медных и латунных
][
Р
В гидросистемах технологических машин и металлорежущих станков преимущественно применяются стальные холоднокатаные бесшовные
трубы из Стали 10 и Стали 20 по ГОСТ 1050-60. В местах, затруднительных для монтажа трубопроводов, при ручной подгонке применяются в виде исключения трубы из красной меди (ГОСТ 617-72) и алюминиевых
сплавов (ГОСТ 18475-73). Наибольшее допускаемое давление для медных
труб
p 8 МПа. При низких рабочих давлениях применяются винипла-
max
стовые трубы. Для подвижных элементов гидросистем применяются специальные гибкие рукава высокого давления (РВД). Для соединения труб
применяются различного рода фитинги, штуцеры и тройники. Медные
и тонкостенные стальные (
стенные (
давлений
S 2 мм) стальные трубы соединяются сваркой. Для рабочих
Т
20 МПа применяются трубы из Стали 10 с наружным диа-
S 1,6 мм) соединяют в развальцовку. Толсто-
Т
метром
d 63 мм и
Н
меняются трубы из Стали 20 с наружным диаметром
S 8 мм. Для труб с наружным диаметром
и
Т
S 8 мм. Для рабочих давлений p32 МПа при-
Т
63 мм
d
Н
d 63 мм применяются
Н
фланцевые соединения. В этих случаях толщина стенок труб из Стали 20
S 6÷20 мм, в зависимости от давления в системе. В некоторых случаях
Т
(в стесненных местах) для удобства монтажа применяются бесштуцерные
соединения трубопроводов, непосредственно на конической резьбе.
9. Приближенно по уравнениям (9.10) оцениваются внешний объем
и масса трубопроводов. По условному проходу
d подбираются из катало-
У
гов-справочников элементы гидроаппаратуры (распределители, клапаны,
фильтры, дроссели). Ориентиром при выборе может служить рекомендуемый в технической характеристике аппарата номинальный расход
Q .
НОМ
10. Потери давления (гидравлические потери) рассчитываются отдельно для напорной и сливной (выхлопной) гидролиний системы по
уравнениям (9.16).
Для прямых участков трубопроводов гидросистемы потери давления
вычисляются по формуле:
2
ul
p
, (9.35)
Т
T
d
2
У
108
где – коэффициент сопротивления трения ( Re75
25,0
течении и
Re3164,0
при турбулентном режиме течения).
при ламинарном
Критерий Рейнольдса в данном случае определяется по формуле:
4
Q
Re через расход в трубопроводе Q , кинематическую вязкость
d
T
жидкости
рассчитывать, если длина участка
и реальный диаметр трубопровода
dl 100.
T
. Эти потери можно не
d
T
Если местные сопротивления расположены одно от другого на рас-
стоянии не меньше
dl 3020 , то поток рабочей жидкости стабилизи-
T
руется, и общая потеря от местных сопротивлений определяется арифметическим суммированием отдельных коэффициентов местных потерь.
В этом случае потери давления на местных сопротивлениях определяются
по формуле:
2
u
p
, (9.36)
MМ
T
2
где
метра
метра
– коэффициент местных потерь.
М
= 0,5 для входа в трубу с острыми кромками;
М
= 0,06÷0,005 для входа в трубу с закругленными кромками;
М
2
22
)1(
d до диаметра TD ;
T
D до диаметра Td ;
T
= 1,0÷2,0 для поворота трубопровода на угол 90°;
М
= 3,0 для гидроклапанов;
М
= 3,3 для труб изогнутых по радиусу
М
= 1,25 для колена с фитингами на резьбе.
М
Dd
для внезапного расширения трубопровода с диа-
TTМ
222
)1(5,0
dD
для внезапного сужения трубопровода с диа-
TTМ
dr )0,55,2(
Если расстояния между аппаратами меньше, чем
;
T
, то
dl 20
T
структура потока нарушается, близко расположенные местные сопротивления начинают оказывать влияние друг на друга. Точный расчет
в подобных случаях невозможен, а арифметическое суммирование коэффициентов местных потерь дает лишь ориентировочные значения общей потери давления. Учитывая, что протяженность трубопроводов гидросистем металлорежущих станков и технологических машин сравнительно небольшая,
а потери из-за местных сопротивлений основной
стандартной аппаратуры достаточно исследованы, гидравлические потери в трубопроводе гидросистемы можно с достаточной для практики
точностью рассчитывать независимо от характера движения по усредненным значениям
pp 05,0 .
PT
109
Потери давления, используемые при предварительных расчетах, для
нормализованных гидроаппаратов приводятся в каталогах на гидрооборудование. Потери давления для наиболее часто применяемых гидроаппаратов приведены в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Потери давления в нормализованной гидроаппаратуре
Типоразмер Наименование аппаратуры
Г54-13
Г54-14
Г54-15
БГ54-13
БГ54-14
Г66-23
Г66-24
БГ66-24
БГ66-25
Г51-21
Г51-22
Г51-23
Г51-24
Г51-25
Г51-26
Г51-27
Г53-14
Г53-16
Г77-11
Г77-14
Г72, Г73-11
Г72, Г73-12
Г72, Г73-13
Г72, Г73-14
Г72, Г73-16
Г72, Г73-17
Г72, Г73-19
Г74-12, 13
Г74-14, 16
Г71-21
Г74-33, 34
Напорный золотник
Напорный золотник с обратным клапаном
Обратный клапан
Обратный клапан
Разделительная панель
Дроссель
Реверсивный золотник
Реверсивный золотник
с мускульным управлением
Кран управления
Двухходовой золотник
11. Давления в напорной Дp и сливной
Интервал
расходов жид-
кости, л/мин
3 – 35
3 – 70
8 – 140
8 – 35
8 – 70
3 – 35
3 – 70
8 – 70
8 – 140
8
18
35
70
140
280
560
70
140
12
70
8
18
35
70
140
280
560
18 – 140
18 – 140
8
35 – 70
полостях объемного дви-
p
C
Потери
давления,
МПа
0,25
0,13
0,30
0,53
0,35
0,24
0,25
0,35
0,37
0,20
0,20
0,20
0,20
0,15
0,15
0,15
0,30
0,30
0,25
0,35
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,15
0,15
0,30
0,30
0,15
0,26
гателя определяются зависимостями уравнений связи (9.3), в которых
– номинальное давление (
p
НОМ
в напорной полости двигателя;
– гидравлический КПД аппаратов и ли-
ГА
ний, принимается равным 0,75÷0,90;
pp
p 0,1013 МПа; Нp – давление
АТ
); p – рабочее давление
ГАНОМ
в напорной полости гидронасоса.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]