Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

РГР - Расчет гидропривода

.pdf
Скачиваний:
240
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
382.31 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Задания и методические указания для выполнения расчетно-графической работы по дисциплинам «Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод»

для студентов механических специальностей

Составители: Полякова Л.Е. Ямпилов С.С. Хараев Г.И.

Ухеев Г.Ж. Ильина М.В.

Улан-Удэ, 2001

Введение

Расчётно-графическую работу по гидравлике (РГР) выполняют студенты специальностей 1502, 1706, 1707 при изучении общеинженерной дисциплины "Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод".

Инженер специальностей 1502, 1706, 1707 должен знать источники энергии (насосы), потребители энергии (гидродвигатели и др.) и уметь их увязывать в гидросистему.

В практике встречаются две задачи:

А) по исходным параметрам потребителя энергии /расходу, давлению, усилию, моменту и т.д./ требуется провести расчет гидролиний и определить исходные параметры для выбора источника энергии;

Б) по имеющимся параметрам источника энергии определить возможность использования его с данным потребителем, т.е. провести проверочный расчет.

В основе решения этих задач лежит расчет гидролиний, т.е. определение потерь энергии в гидролиниях, диаметров трубопроводов, скорости движения жидкости, расхода жидкости, давлений. Гидравлические методы расчета базируются на большом эмпирическом материале, который имеется в справочной литературе. Поэтому при выполнении РГР студент должен овладеть гидравлическими методами расчета и приобрести навыки пользования справочной литературой.

Следует иметь в виду, что гидравлический расчет является составной частью инженерного расчета, который учитывает множество факторов; условия эксплуатации и надежность, экономические и технологические соображения, условия максимума унификации деталей и материально-технического снабжения и т.д. Поэтому, как правило, приходится выполнять несколько вариантов гидравлического расчета. Однако на данном этапе подготовки специалиста у него нет опыта и знаний, необходимых для учета всех факторов; инженерный расчет студенты выполняют при дипломном проектировании. Поэтому в данном методическом пособии не рассматриваются другие стороны инженерного расчета. Учитывая специфику заочной формы обучения, методы расчета и справочные материал излагается в несколько расширенном виде. Кроме того по той же причине в пособии приведены варианты заданий и пример оформления и выполнения PГP, условные обозначения элементов гидравлических сетей.

Пояснительная записка PГP состоит из титульного листа, задания, расчетной части и списка литературы. Оформление РГР приведено в примере расчета в приложении. Пояснительная записка представляется в рукописном виде. Слова, обозначения, символы должны быть выписаны четко. В тексте должны иметься ссылки на литературу. При определении значений величин должна быть выписана формула, подставлены значения величин, входящих в формулу, и записан результат вычислений с указанием размерности. PГP оформляется на отдельных листах писчей бумаги А1 формата. Слева каждого листа для подшивки оставляются поля 2,5 см., сверху и снизу по 1,5 см., справа - 1 см. Графики выполняются карандашом, чернилами или тушью. Графики должны быть пронумерованы, в тексте должны быть ссылки на графики.

Все расчеты выполняются только в системе СИ.

Условные обозначения

Ρ – давление жидкости, Па l – длина, м

d – диаметр трубопровода, м

dο – диаметр сопла или отверстия, м U – скорость, м/с

Uн – начальная скорость, м/с

Uп – скорость движения поршня, м/с

H – гидродинамический напор, м Hc – скоростная высота

P – потери давления, Па

Pп – потери давления поршня, Па

P3 – потери давления в местных сопротивлениях, Па H – потери гидродинамического напора, м

Hl – потери гидродинамического напора по длине, м

H3 – потери гидродинамического напора в местных сопротивлениях, м N – мощность, вт

ω – угловая скорость, рад/с n – количество, шт

λ – коэффициент Дарси.

ζ – коэффициент местного сопротивления. f – площадь, м²

fц – площадь цилиндра, м² fш – площадь штока, м² fп – площадь поршня, м²

fο – площадь отверстия или насадки, м² F – сила, Н

Q – расход, подача насоса, м³/с

Q – расход жидкости через клапан, м³/с М – момент, Н·м µ – коэффициент расхода

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²ρ – плотность, кг/м³ Еж – модуль упругости жидкости, Па

Ем – модуль упругости материала, Па t – температура, °С

α – коэффициент Кариолиса

g – ускорение земного притяжения, м/с² z – вертикальная ордината, м

Re – число Рейнольдса.

k –эквивалентная шероховатость, м R – радиус, м

ϕ – коэффициент скорости ξ – коэффициент сжатия струи

Py – повышение давления при гидроударе, Па С – скорость распространения ударной волны, м/c δ – толщина стенки, м τ – время, с

ζк – коэффициент местного сопротивления клапана ζд – коэффициент местного сопротивления дросселя γ – удельный вес, Н/м³ β – угол, рад

η –коэффициент полезного действия

Условные графические обозначения некоторых элементов гидросистем по ЕСКД. установленные ГОСТ 2780-68. ГОCТ 2771-68, ГОСТ 2782-68

Магистральная жидкостная линяя Жидкостная линия управления Направление потока жидкости

Пружина

Перекрещивающиеся жидкостные линии

Неперекрещивающиеся жидкостные линии

Фиксатор

Бак, открытый в атмосферу

Фильтр

Подогреватель жидкости

Охладитель жидкости

Сопло

Насос постоянной производительности

Насос регулируемой производительности

Гидромотор нерегулируемый

Гидромотор регулируемый

Гидроцилиндр с односторонним штоком

Гидроцилиндр с двухстороннимштоком

Моментный гидроцилиндр

Двухходовой, двухпозиционный распределитель с ручным управлением

Трехходовой, двухпозиционный распределитель с электромагнитным управлением

Четырехходовой, двухпозиционный распределитель с электромагнитным управлением

Четырехходовой, трехпозиционный распределитель с электромагнитным управлением

Клапан нормально открыт

Клапан нормально закрыт

Предохранительный клапан

Обратный клапан

Дроссель нерегулируемый

Дроссель регулируемый

Делитель потока

Сумматор потока

Исходные данные

В качестве исходных данных могут быть заданы параметры, которые характеризуют работу любого из элементов гидросистемы.

Пример 1: В гидросистеме с насосом, гидролинией и гидродвигателем исходные данные характеризуют работу гидродвигателя: крутящий момент, угловая скорость вращения вала, расход жидкости, коэффициент полезного действия, рабочая жидкость.

Пример 2: В гидросистеме моечной машины с насосом и душевыми головками исходные данные характеризуют душевые головки: количество головок, их взаимное расположение, количество отверстий, диаметр отверстий, расход жидкости через отверстие, рабочая жидкость и её температура.

Далее по конструктивным соображениям длина гидролиний и их пространственное расположение всегда бывают известны, и поэтому приводятся в исходных данных.

Как видно из сказанного, исходные данные характеризуют работу элементов гидросистемы по отношению к внешним объектам, которыми могут быть в наших примерах шпиндель токарного станка или детали машин. Поэтому для проведения гидравлических расчётов необходимо от заданных исходных данных перейти к параметрам, определяющим движение жидкости в местах соединения гидролинии с элементом гидросистемы (расход жидкости, давление).

Оптимальные скорости движения жидкости в гидролиниях

Приступая к гидравлическому расчёту гидролиний, надо иметь в виду, что не всегда решение можно получить чисто гидравлическими методами. В этих случаях прибегают к технико-экономическому расчёту. Дело в том, что с увеличением скорости резко возрастают потери в гидролиниях (растут эксплуатационные затраты), а с уменьшением скорости возрастает металлоёмкость конструкции (растут капитальные затраты). Поэтому в каждом случае существуют оптимальные значения трубопровода и скорости движения жидкости, при которых сумма годичных эксплуатационных и капитальных затрат оказывается минимальной. Это с одной стороны, а с другой, в различных отраслях промышленности к гидросистемам применяются различные требования, которые оказывают влияние на величину оптимальных значений диаметров и скорости. Короче говоря, оптимальные значения диаметров трубопровода и скорость движения жидкости в различных отраслях техники различны.

В общем машиностроении принято ограничивать скорость в зависимости от давления:

Давление, мПа

1

2.5

5

10

15

20

Оптимальная

1.3

2

3

4.5

5.5

6

скорость, м/с

 

 

 

 

 

 

Имеются другие рекомендации:

а) при коротких трубопроводах (l/d<100) скорости находятся в пределах:

всасывающие -

0.5 – 1.5

сливные -

2

напорные -

3 – 5

б) при длинных трубопроводах (l/d>100) скорости находятся в пределах:

всасывающие -

0.3 – 0.8

сливные -

1.2

напорные -

2 – 3.5

В системах водоснабжения оптимальные скорости обычно находятся в пределах 0.8-1.5м/с. Однако, надо иметь в виду, что в общем случае скорости надо принимать так, чтобы

потери давления в гидролиниях не превышали 5-6% рабочего давления.

Жидкости, применяемые в гидросистемах

В гидросистемах, в зависимости от назначения, применяются различные жидкости: в моечных машинах – моющие жидкости, которые по своим свойствам близки к воде; в системах гидропривода различные масла. Ниже приводятся основные физические свойства наиболее распространённых жидкостей.

Физические свойства жидкостей

Таблица 1

 

 

Вязкос-

Пределы

 

 

 

ть при

Плотно-

Модуль

Жидкость

50°С

рабочих

сть, ρ

упругости

темпера-

 

ν50=106м

тур, °С

кг/м³

Е, мПа

 

²

 

 

 

 

 

 

Вода

0.55

4 - 90

1000

2060

АМГ-10

10

-60 - +100

900

1305

МВП

8

-40 - +60

890

1300

Индустриальное

10

-30 - +40

890

1360

12

 

 

 

 

Индустриальное

20

0 - +90

900

1360

20

 

 

 

 

Веретенное АУ

12

-40 - +60

890

1500

Трансформатор

10

-30 - +90

890

1700

ное

 

 

 

 

Модуль упругости и плотность жидкости в пределах рабочих температур практически не меняется. Коэффициент кинетической вязкости жидкости зависит от температуры, это изменение учитывается формулой:

νt = ν50(50/t)β

Где νt и ν50 коэффициенты кинематической вязкости при заданной температуре t 50

°С.

Показатель степени β выбирается в зависимости от исходной вязкости:

 

 

Вязкость ν50 ·106 м²

2.8

 

9

 

 

11.8

 

21.2

 

 

 

 

 

Показатель β

1.39

 

1.72

 

1.79

 

1.99

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

Зависимость изменения коэффициента кинематической вязкости

 

 

 

воды от температуры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура, °С

4

10

 

20

30

 

40

50

 

60

 

70

80

 

90

 

 

Вязкость, ν ·106

1.5

1.3

1.0

0.8

0.6

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

 

 

 

м²

7

1

1

 

 

5

5

8

2

7

 

3

 

 

 

Режимы движения жидкости

 

 

 

 

 

Режимы движения жидкости бывают:

ламинарный, переходный и турбулентный. При

ламинарном движении траектории жидких частиц не пересекаются, при турбулентном - жидкие частицы движутся хаотично, беспорядочно; переходный – является промежуточным между ламинарным и турбулентным. Режимы движения жидкости существенно влияют на величину потерь давления или гидродинамического напора и гидролиниях. Характеризуют режимы давления жидкости числом Рейнольдcа Rе=Ud/ν.

В водопроводных системах ламинарный режим наблюдается при Rе<600, 600< Rе<2300; турбулентный – при Rе>2300.

Вмасляных гидролиниях ламинарный режим наблюдается при Rе<2000, переходный

2000<Rе<2300, турбулентный - Rе>2300. Отметим, что в практике использования водопроводных систем ламинарный режим не встречается, а системы гидролиний в диапазоне 2500>Rе>2000 работают неустойчиво.

Основные расчётные зависимости

Вдоль потока расход жидкости остаётся постоянным и равен произведению площади живого сечения на среднюю скорость.

Q = fu = const

f =

Площадь живого сечения потока в круглой трубе определяется её диаметром:

(πd2/4)

Диаметр трубопроводов регламентируется ГОСТ 8734-58: 2, 4, 6, 8, 10, 12,16, 20, 22, 25, 30 мм. Баланс удельных энергий, т.е. отнесённых к единице веса или объёма, в потоке

определяется уравнением Бернулли:

 

Z1 + P1/γ + α1(U1)2/(2g)= Z2 + P2/γ + α2(U2)2/(2g)

 

или

 

Z1·γ + P1 + α1ρ(U1)2/2= Z2·γ + P2 + α2ρ(U2)2/2 + P,

α = 2,

где α1 и α2 коэффициенты Кориолиса, в круглой трубе при ламинарном режиме

при турбулентном α=1.

 

Уравнение Бернулли позволяет, зная параметры движущейся жидкости в сечении 1, определить те же параметры в любом другом сечении.

Потери гидродинамического напора или давления бывают двух видов: потери по длине (на прямых участках гидролинии) и в местах сопротивления (поворотах, расширениях, кранах, вентилях, регуляторах, распределителях, фильтрах и т.д.).

Потери гидродинамического напора или давления определяются формулой Дарси-

Вейсбаха: H=λ(l/d)·(U2/2g), P=λ(l/d)·(ρU2/λ),

где λ коэффициент Дарси.

Коэффициент Дарси определяется в зависимости от режима движения жидкости по нескольким формулам. При ламинарном режиме движении жидкости λ=64/Re, для масляных гидролиний с учётом искажений сечения труб и охлаждения пристеночных слоёв жидкости при практических расчётах принимают λ=75/Re. При турбулентном режиме движении жидкости при определении используют несколько зависимостей. В диапазоне значений 2300<Re<10·d/k, где гидролиния представляется как гидравлически гладкие, применяют формулу Блазкуса: λ=0.3164/(Re0.25)

в диапазоне значений: Re<500·d/k, т.е. в зоне вполне шероховатых труб, применима формула

Шифринсона:

к0,25

λ = 0,11{-----} d

В промежуточном диапазоне значений 10·d/k<Re<500·d/k можно использовать формулу Альтшуля:

λ

=

 

k

+

68

0 .25

0 .11

 

 

 

d

Re

 

 

 

 

 

Ниже приводятся средние значения эквивалентной шероховатости k, входящие в формулу Альтшуля, для наиболее распространенных новых и чистых труб.

 

Таблица 3

Виды труб

Эквивалентная

шероховатость

 

Тянутая из стекла и цветных металлов

0.5

Бесшовная стальная

3

Стальная сварная

5

Рукава и шланги резиновые

3

При выборе материала труб гидролиний необходимо иметь в виду величину давления жидкости, для ориентировочного выбора материала труб, можно воспользоваться данными таблицы 4.

Таблица 4 Рекомендуемые давления для труб

Материал труб

Давление жидкости,

мПа

 

Медные и алюминиевые

до 10

Латунные

до 15

Стальные

свыше 20

Рукава высокого давления

свыше 20

Потери в местных сопротивлениях определяются по формуле Вейсбаха:

H=ζ·(U2/2g) или p=ζ·(U2·ρ/2)

Коэффициент местного сопротивления ζ определяется эмпирически. Значения ζ для некоторых видов местных сопротивлений представлены в таблице 5.

Таблица 5

Значения ζ для некоторых видов местных сопротивлений

Вид местного сопротивления

Значение

Прямой вход в трубопровод

0.5

Выход из трубопровода

1.0

резкий поворот на угол π/2

1.1

Распределитель

3 – 5

Предохранительный клапан /без учета

2 – 3

усилия пружины

 

Плавный поворот трубы (d/2)/R = 1- 5

0.3 - 0.14

Тройники

 

 

 

 

0.9 - 1.2

 

 

 

I - 2.5

 

 

 

I - 1.5

 

 

 

0.5 - 0.6

 

 

Вентиль

3 - 5.5

Кран в положении "ОТКРЫТО"

0.05

Потери давления в фильтрах в среднем колеблются в пределах 0.1 - 0.5 мПа.

В общем случае потери гидродинамического напора или давления определяются как сумма потерь по длине и в местных сопротивлениях:

H=Hl+Hζ; P=Pl+Pζ

H=Σ λ(l/d)·(U2/2g) + Σ ζ(U2/2g); p=Σ λ(l/d)·(ρU2/2) + Σ ζ(ρU2/2)

При истечении жидкости через отверстия и насадки перепад гидродинамического напора или давления, расход жидкости и скорости, истечения связаны уравнениями:

U =ψ 2P / ρ или U =ψ 2gH

Коэффициент скорости ϕ и коэффициент расхода µ связаны преобразованием µ=ϕξ, в котором ξ - коэффициент сжатия струи.

Q = µf

2gH

или Q = µf

2P / ρ

 

 

 

Значения ξ, ϕ, µ для основных типов отверстий и

насадок

Вид отверстия, насадки

 

ξ

ϕ

µ

 

 

 

 

 

 

 

Отверстие в тонкой стенке при

 

0,64

0.97

0.62

 

совершенном сжатий

 

 

 

 

 

 

 

Цилиндрический

наружный насадок

 

1

0.82

0.82

 

 

 

 

 

 

 

Конический расходящийся насадок с

 

 

 

 

 

углом

 

 

 

1

0.5

0.5

 

Конусности 0.1 - 0.13 рад

 

 

 

 

 

Конический сходящийся насадок с углом

1

0.94

0.94

 

конусности

0.21 - 0.26 рад

 

 

 

 

 

 

 

Высота вертикальной струи жидкости в условиях свободного падения в воздухе (рис.1) определяется соотношениями:

z=H/(1+α∆H); H=U2/2g; d=0.00025/(d0+(10d0)3)

Дальность полета l наклонной струи равна:

l =1.63 βd0 H 2 / 3

Угол β определяется между осью сопла и горизонталью (рис.2)

Сила воздействия струи на пластинку, нормально расположенную к ее оси (риc.3) определяется до формуле:

F=ρ·f0·U20

При мгновенном перекрытии живого сечения трубопровода в нем резко повышается

давление, это явление прямого гидравлического удара, при постепенном

перекрытии

живого сечения трубопровода возникает не прямой гидравлический удар.

Повышение

давления при прямом гидравлическом ударе определяется формулой Жуковского:

Py = ρUC

C =

 

1

 

 

 

ρ

+

ρ d

 

 

 

 

 

 

 

 

E III

E II δ

 

 

 

 

 

Повышение ударного давления при не прямом гидравлическом ударе зависит от времени перекрытия живого сечения

Py=ρUC τϕ=4l/C

Значение модуля упругости для наиболее применяемых материалов

Материал трубопровода

Модуль упругости

 

 

Сталь

2*105

Медь

1.27*105

Латунь

0.94*105

Алюминий

0.7*105

Резина

2-6

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.