Разработка и расчет гидропривода
Федеральное
агентство по образованию
Государственное
образовательное учреждение
высшего
профессионального образования
Ярославский
государственный технический университет
Кафедра «ПАХТ»
Курсовой
проект защищен
с оценкой ______________
Руководитель
М.В.Куликов___________
«___»_____________ 2009
Курсова работа
по
дисциплине «Гидравлическое оборудование»
Разработка и расчет гидропривода
Нормоконтролер: Работу
выполнил:
Леонтьев В.К. студент
группы АТ-43
«___»__________2009 ________Д.Е.
Юдицкий
«__»_________2009
2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Разработка принципиальной
схемы гидропривода
1.1 Выбор
способа регулирования
1.2.Выбор
схемы циркуляции жидкости
2. Расчет параметров и
подбор элементов гидропривода
2.1 Выбор
номинального рабочего давления
2.2 Расчет
размеров и подбор гидродвигателя. Выбор типа гидродвигателя и определение
давления, реализуемого на нем
2.3 Расчет и
подбор гидроцилиндра
2.4 Выбор
гидроаппаратуры и вспомогательных устройств
2.5 Выбор
рабочей жидкости
2.6 Расчет
гидролиний
2.7
Определение параметров и подбор насоса
2.8 Общий КПД
гидропривода
Список используемой
литературы
Введение
Объемным гидроприводом называется совокупность устройств –
гидромашин объемного действия и гидроаппаратов, предназначенных для передачи
механической энергии и преобразования движения посредством жидкости.
К достоинствам гидропривода относят:
- возможность создания больших передаточных отношений и
бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена и усилий в
широком диапазоне;
- высокая удельная мощность (вес гидропривода, приходящийся на 1
кВт передаваемой мощности составляет не более 23 Н);
- малая инерционность, что обеспечивает быстрый пуск, реверс,
останов (момент инерции подвижных элементов гидропривода в 5..6 раз меньше, чем
у электромашин той же мощности);
- возможность просто и надежно предохранять элементы гидропривода
и рабочей машины от перегрузок.
Недостатки гидропривода:
- потери энергии значительно выше, чем в электроприводе
(гидропривод имеет более низкий КПД);
- влияние условий эксплуатации (температуры) на характеристики
гидропривода;
- постепенное снижение КПД в процессе эксплуатации - за счет роста
утечек жидкости по мере износа деталей привода.
Объемный гидропривод широко используется в строительных и дорожных
машинах, станках, транспортных и сельскохозяйственных машинах и в других
отраслях техники.
1. РА3РАБОТКА ПРИНЦИПИЛЬНОЙ СХЕМЫ ГИДРОПРИВОДА
1.1 Выбор способа регулирования
гидропривод
гидродвигатель насос
Дроссельное регyлирование скорости движения выходного звена
гидродвигателя осуществляется за счет ограничения подачи жидкости к
гидродвигателю путем введения в гидролинию дополнительного, в данном случае -
регулируемого, гидравлического сопротивления - дросселя. При этом избыток
рабочей жидкости, подаваемой насосом, через переливной клапан поступает
непосредственно в сливную линию (минуя гидродвигатель). При выборе способа
регулировки скорости следует учесть следующие особенности дроссельного
регулирования.
Оборудование гидропривода в этом случае в целом дешевле, чем при
объемном регулировании: устанавливаются более простые, а именно –
нерегулируемые, насос и (или) гидродвигатель.
К.П.Д. гидропривода существенно ниже, чем при объемном
регулировании: в самом принципе заложены объемные и гидравлические потери.
В результате гидравлических потерь при дросселировании жидкость
нагревается, что, при большой передаваемой мощности и ограниченности
теплоотдающих поверхностей, потребует установки теплообменников
(холодильников).
По указанным выше причинам передаваемая мощность при этом способе
регулирования ограничивается (примерно до 3 кВт - при длительном и до 5 кВт -
при кратковременном режиме работы),
Скорость движения выходного звено определяется не только
воздействием дросселя на поток жидкости, но и нагрузкой на выходном звене
гидродвигателя: с увеличением нагрузки скорость уменьшается. Поэтому, если
нагрузка существенно меняется, а скорость должна оставаться постоянной,
необходимо предусмотреть установку регулятора скорости устройства, сочетающего
дроссель и редукционный клапан.
В гидроприводе дроссель может быть установлен на входе в
гидродвигатель, на выходе из него или на ответвлении – параллельно с
гидродвигателем.
В первом случае регулирование дросселем возможно лишь при
отрицательной нагрузке, то есть тогда, когда направление действия нагрузки не
совпадает с направлением движения выходного звена. Кроме того, при
положительной нагрузке (при совпадении указанных направлений) возможен разрыв
потока в напорной полости гидродвигателя и падение груза - следствие отсутствия
ощутимого сопротивления в сливной линии. При установке дросселя на входе
жидкость поступает в гидродвигатель нагретой, что ухудшает условия работы
последнего.
При установке дросселя на выходе регулирование возможно при любом
направлении действия нагрузки. Преимуществом этого варианта перед первым
является и то, что в гидродвигатель жидкость поступает менее нагретой: нагрев
ее в дросселе происходит после гидродвигателя. Нагретая жидкость сливается в
гидробак, где охлаждается.
При параллельном подключении дросселя регулирование, как и в
первом варианте возможно лишь при отрицательной нагрузке. Точность
регулирования скорости и ее стабильность при изменении нагрузки ниже, чем в
первых двух случаях. Преимущество этого варианта – наименьший нагрев жидкости.
Это связано с тем, что дросселируется лишь часть потока жидкости.
Объемное регулирование осуществляется за счет изменения рабочего
объема насоса или гидродвигателя, или насоса и гидродвигателя вместе.
Отличительные особенности этого способ следующие. Более высокий
К.П.Д. (до 0.650,75),
чем при дроссельном регулировании. 3начительно меньший нагрев рабочей жидкости.
Нет необходимости устанавливать гидрораспределители: реверсирование выполняется
регулируемым насосом, причем этот процесс идет более плавно; чем при
реверсировании гидрораспредeлителем. 3начительно более широкий диапазон
регулировании скорости.
Недостаток схем с объемным регулированием – необходимость
установки более сложного и дорогого оборудования, а именно - насоса, и при
вращательном движении – гидродвигателя.
Этот способ целесообрзно исползовать в гидроприводах средней и
большой мощности, так как именно в этих случаях экономия энергии будет наиболее
ощутима (за счет повышения К.П.Д.).
Как следует из вышеизложенного, одним из важнейших и
первоочередных вопросов, который надо решить при выборе способа регулирования,
является оценка мощности, передаваемой гидроприводом. Вопрос решается на
основании исходных данных, с учетом заданного характера движения выходного
звена гидропривода.
Мощность, реализуемая гидродвигателем при поступательном движении,
составит
Где F – усилие на рабочем органе (на штоке), по заданию F=12000 Н;
u – скорость движения выходного звена, по заданию u=0.03 м/с;
Из выше сказанного следует, что при Nдв=0,36 кВт, надо выбрать
дроссельное регулирование, т.к. установка получается малой мощности.
1.2
Выбор схемы циркуляции жидкости
При решении этого вопроса надо учесть следующие обстоятельства. В
открытой схеме всасывающая линия насоса и сливная – гидродвигателя разомкнуты
между собой. Они сообщаются с гидробаком, давление на поверхности жидкости в
котором – атмосферное. Наличие гидробака, содержащего запас жидкости,
обеспечивает лучшие условия для отвода тепла из системы. Эта схема позволяет
питать одним насосом несколько гидродвигателей. В целиком, она проще закрытой.
Однако, реверсирование насосом в этом случае осуществить нельзя – необходима
установка гидрораспределителя. Разряжение во всасывающей линии насоса
способствует возникновению кавитации и подсосу воздуха в систему.
Из-за сложности охлаждения и необходимости установки
дополнительного оборудования, выбираю открытую схему циркуляции жидкости.
Схема данного
гидропривода представлена на рисунке 1.
Рисунок 1.1-Насос; 2-Гидроцилиндр; 3-Гидрораспределитель; 4-Переливной
клапан; 5-Фильтр; 6-Бак; 7-Дроссель;
2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТPОВ И ПОДБОР ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА
2.1 Выбор номинального рабочего давления
Давление в гидросистеме зависит от типа насоса и назначения
данного гидропривода. Давление насоса должно быть тем больше, чем больше
нагрузка или мощность приводимого в движение механизма. Малые давления приводят
к возрастанию габаритов и веса, но способствуют плавной и устойчивой работе
гидропривода; большие давления снижают вес, но усложняют конструкцию и
эксплуатацию гидросистем, уменьшают долговечность гидрооборудования.
Чем выше давление, тем выше требования к качеству (класс точности,
чистота обработки, материал) сопрягаемых деталей, к жесткости конструкции в
целом. При давлениях свыше 20-25 МПа в жидкости могут возникать упругие
колебания, вызывающие гидравлические удары в системе, вибрацию подвижных
деталей, усложняется уплотнение подвижных и неподвижных соединений.
Поэтому из стандартного ряда назначаем давление Рн=10 МПа.
2.2 Расчет размеров и подбор гидродвигателя. Выбор типа
гидродвигателя и определениедавления, реализуемого на нем
Тип гидродвигателя (гидроцилиндр, поворотный гидродвигатель или
гидромотор) определяется в соответствии с заданным характером движения
выходного звена. От параметров гидродвигателя – номинального давления и номинального расхода в конечном итоге зависят
аналогичные параметры насоса.
По заданию вид движения выходного звена –
возвратно-поступательное, значит тип гидродвигателя – гидроцилиндр.
Ориентировочное давление в рабочей полости гидродвигателя
где -
давление, развиваемое насосом, соответствует номинальному рабочему давлению
принятому ранее; Рн=10 МПа;
-
гидравлический К.П.Д. системы.
Предварительно
его можно принять в пределах 0,7-0,8. Принимаем =0.75.
Для открытой
схемы реализуемое гидродвигалем давление составит
2.3
Расчет и подбор гидроцилиндра
Гидроцилиндры могут быть одностороннего действия, когда возвратное
движение поршня происходит под действием груза или пружины и двухстороннего,_
когда движение в обоих направлениях осуществляется под действием рабочей
жидкости. Во втором случае гидроцилиндры могут иметь односторонний шток, когда
скорость возвратного движения не регламентируется, и двусторонний, когда
скорость и усилия 2 обоих направлениях должны быть одинаковыми. Указанные
обстоятельства должна быть учтены при расчете диаметра поршня. Так как
гидроцилиндра с двусторонним штоком, из-за сложности изготовления и увеличения
габаритов машины, применяются сравнительно редко, то выбираем гидроцилиндр
одностороннего действия.
Рассчитываем диаметр поршня
где -
механический К.П.Д. гидроцилиндра, ориентировочное значение его 0.9
По вычисленным значениям Рдв и Dc учетом заданного хода
поршня S выбираем типоразмер гидроцилиндра [4, стр 359] 4009-4635010.
Техническая характеристика: D=70 мм; Рн=10 МПа; S=140 мм.
Уточненное давление в рабочей полости гидроцилиндра Рдв:
Расход жидкости на гидроцилиндр составит
2.4
Выбор гидроаппаратуры и вспомогательных устройств
Гидроаппаратура служит для изменения параметров потока жидкости (давления,
расхода, направления движения) или для поддержания их на заданное уровне. К ней
относятся: гидродроссели, гидроклапаны различного назначения,
парораспределитель.
При выборе гидроаппаратуры следует исходить из ее местоположения
на разработанной принципиальной схеме.
По исходными параметрами для поиска типоразмера гидроаппарата
являются номинальное давление в системе РН и номинальный расход Q принимаемый здесь по
рассчитанному расходу для гидродвигателя Qдв.
Гидрораспределители по конструкции могут быть крановые и
золотниковые (весьма редко - клапанные). Крановые гидрораспределители
используются для давлений в системе не выше 10 МПа из-за значительных
статических усилий, прижимающих пробку к корпусу и затрудняющих ее поворот.
Наиболее широко распространены гидрораспределители золотникового типа. По числу
позиций золотника они подразделяются на двух- трex- и четырехпозиционные.
Двухпозиционные используются обычно для гидроцилиндров одностороннего
действия, Трехпозиционные имеет кроме нейтрального два рабочих положения, при
которых напорная линия связывается с одной или другой полостью гидроцилиндра
или с одним из двух каналов гидромотора, в зависимости от требуемого
направления перемещения выходного звена. В четырехпозиционных, помимо
указанных, имеется так называемое плавающие положение, когда напорная линия и
обе полости гидроцилиндра связаны с гидробаком. Жидкость при этом может
перетекать из одной полости гидроцилиндра в другую.
Для данного гидроцилиндра выбираем трехпозиционный золотник
реверсивный с электрогидравлическим управлением. Выбираем типоразмер золотника
[4]: Г63-13
Характеристика золотника Г63-13:
Номинальный расход масла - 0,58 дм3/с;
Номинальное давление - 20 МПа;
Потеря давления при номинальном расходе, не более - 0,3 МПа;
Утечки через зазоры золотника при номинальном давлении - 0,005
дм3/с;
При выборе конструкции гидроклапана следует учитывать его
функциональное назначение в разрабатываемом гидроприводе: предохранительный,
переливной, обратный, редукционный. В данной используется два клапана:
переливной и предохранительный.
Выбираем по каталогу клапаны [4]:
- предохранительные и переливные – БГ52-13
Характеристика клапана БГ52-13:
Номинальное давление 5…20 МПа;
Номинальный расход 0,58х10-3 м3/с;
Минимальный рекомендуемый расход 0,08х10-3 м3/с;
Перепад давления на клапане 0,5 МПа;
Утечка масла через клапан -
В качестве отделителей твердых частиц используют фильтры и
сепараторы. Качество очистки определяется размером задерживаемых частиц: грубая
- до 100 мкм, нормальная - до 10 мкм, тонкая - до 5 мкм, особо тонкая - до 1
мкм. Так как в исходных данных работы размер отделяемых частиц не оговорен, то
принимаем нормальную степень очистки (размер частиц до 10 мкм).
Параметрами для подбора типоразмера фильтра являются: наименьший
размер задержанных частиц, рабочее давление и пропускная способность (по
расходу рабочей жидкости).
В данной гидросистеме фильтр расположен на линии слива. Давление
там незначительное. Поэтому по каталогу выбираем фильтр магнитно-сетчатый
сдвоенный ФМС-12 [4]. Фильтры такого типа предназначены для очистки от примесей
минеральных масел вязкостью до 600 мм2/с.
Характеристика фильтра ФМС-12:
Наименьший размер задерживаемых частиц 5…10 мкм;
Наибольшее рабочее давление 0,6 МПа;
Количество магнитов 6;
Диаметр магнитов 55 мм;
Диаметр фильтрующего сетчатого элемента 50 мм;
Количество фильтрующих элементов 16;
Вес фильтра 4.65 кг;
2.5
Выбор рабочей жидкости
В объемном гидроприводе рабочая жидкость служит в качестве
носителя энергии, смазки, а также является охлаждающей средой (отводит тепло из
системы). В соответствии с назначением к ней предъявляются ряд требований,
которым наиболее удовлетворяют минеральные масла и синтетические (силиконовые)
жидкости. При выборе марки рабочей жидкости необходима заданная рабочая
температура. По заданию t=40 оС.
Подобранный гидроцилиндр работает на минеральном масле вязкостью
18…60 сСт (мм2/с) при температуре 10 – 50 оС. Рекомендовано использовать масло
индустриальное 20 и масло индустриальное 30.
Выбираем масло индустриальное 20 ГОСТ 1707-51. Вязкость 20 сСт при
t=50 оС, плотность 890
кг/м3.
2.6
Расчет гидролиний
Гидролинии служат для передачи рабочей жидкости между
гидроагрегатами, они связывают вое устройства гидропривода в единую систему
(схему). К гидролиниям относятся трубопроводы и каналы в корпусах
гидравлических устройств.
При расчете гидролинии определяются ее диаметр и гидравлические
потери при движении жидкости;
Значение диаметра трубопровода необходимо для подбора труб
гидролинии, выбора гидроаппаратуры и вспомогательного оборудования, расчета
гидравлического сопротивления гидролинии.
Расчет проводится по формуле
где Q - расход жидкости м3/с. В данном расчете его можно принять
равным Qдв (см, п. 4.2.);
-средняя
скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с.
Величина скорости принимается по рекомендациям, полученным на
основании экономических соображений: с увеличением увеличиваются гидравлические потери, но
уменьшается расход материала на изготовление трубопровода, снижается его масса.
При давлениях до 5-6 МПа и большой длине гидролинии, когда гидравлическое
сопротивление может существенно повлиять на К П Д системы, рекомендуемая
скорость 3-4 м/с, при давлениях свыше 10 МПа и малой длине гидролинии, скорость
может быть увеличена до 5-6 м/с, во всасывающей линии насоса она не должна превышать
1,5 м/с, а в сливной линии - 2 м/с.
Принимаем для данной гидросистемы один диаметр для всех линий и
одну скорость движения жидкости υ=3 м/с.
Тогда:
По результатам расчета подбираем промышленную трубу по ГОСТ 8734-75:
10х1,5 (dвн=7
мм);
Уточненная скорость движения жидкости:
Определение гидравлических потерь в гидролинии
В этом расчете учитывают потери по длине и на местных
сопротивлениях, используя принцип сложения потерь напора
где -
коэффициент трения;
l - длина гидролинии, м;
d - диаметр гидролинии, м;
- коэффициент местного
сопротивления;
- плотность жидкости, кг/м3;
- скорость движения
жидкости, м/с;
Для определения коэффициента трения необходимо вначале вычислить
критерий Рейнольдса
где -
коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости, м/с2.
При ламинарном режиме:
Тогда:
Режим движения жидкости - ламинарный (Re < 2320).
Таблица
1 – Местные гидравлические сопротивления
Тип сопротивления
|
Количество
|
Коэффициент местного сопротивления ξ
|
- отвод под углом 90°
- расширение на входе в гидроцилиндр
- расширение на входе в гидрораспределитель
- расширение на входе в фильтр
- расширение на входе в дроссель
- тройник прямоугольный для транзитного потока
|
6
1
1
1
1
3
|
0,15
1
1
1
1
0,15
|
Тогда
2.7
Определение параметров и подбор насоса
Основными параметрами, по которым выбирается типоразмер насоса,
являются давление РН и производительность Qн.
Давление (удельная энергия, сообщаемая жидкости в насосе)
затрачивается в объемном гидроприводе на выполнение работы гидродвигателем и
преодоление гидравлических сопротивлений при передаче жит - кости. При расчете
потребного давления указанные величины суммируется
где Рдв - давление на входе в гидродвигатель, Рдв= 3,47
МПа;
- суммарные
потери давления в системе, МПа причем
где -
гидравлические потери в гидролиниях, МПа (см.,п.4.2);
-
суммарные потери в гидроагрегатах (дросселе, гидрораспределителей, фильтрах и
т.п.), МПa.
Эти потери принимаются по справочным данным при выборе
соответствующих гидроаппаратов и вспомогательных устройств.
Тогда:
=0,3+0,5+0,5+0,5=1,8
МПа;
Для определения производительности насоса необходимо сложить
расход жидкости на гидродвигатель Qдв и утечки жидкости через неплотности в
гидроагрегатах Qут, то
есть
Утечки через неплотности принимаются по справочным данным при
выборе соответствующей гидроаппаратуры (гидродросселя, гидрораспределителя,
гидроклапанов и т.д.).
По рассчитанным значениям РН и ОН подбирается
типоразмер насоса:
Аксиально-поршневой насос типа IID №0,5
Техническая характеристика
Номинальное давление 10 МПа;
Максимальная
производительность за 1 об
(рабочий объем насоса), qН 0,003 дм3/с;
Максимальная производительность (подача)
QMAX 0,15 дм3/с=0,15х10-3 м3/с;
Частота вращения 2950 об/мин;
Потребляемая мощность (при QMAX) 2,35 кВт
Объемный КПД ηо 0,98
Полный КПД ηН 0,82
Необходимая частота вращения вала насоса
где qH - рабочий объем насоса, м3;
- объемный КПД.
Тогда:
Мощность, потребляемая насосом (мощность на валу), вычисляется по
формуле
где - полный К.П.Д. насоса, по
технической характеристике ηН=0,82.
Тогда:
2.8
Общий
КПД гидропривода
Этот параметр характеризует потери энергии (гидравлические,
объемные и механические) при ее передаче в объемном гидроприводе. Он определяется
отношением мощности, реализуемой гидродвигателем, к мощности, потребляемой
насосом
Тогда:
ЛИТЕРАТУРА
1. Гидравлика,
гидравлические машины и гидравлические приводы./ Под ред. Т.М.Башты.- М.:
Машиностроение, 1970.
2. Башта Т.М.
Машиностроительная гидравлика: Справочное пособие. - М.; Машиностроение, 1975.
3. Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т.,
Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. -
Минск; Вышэйшая школа, 1976.
4. Гидравлическое
оборудование: Каталог-справочник. Т.1 и 2. - М.: ВНИИгидропривод, 1967.
5. Васильченко В.А, Беркович
Ф.М. Гидравлический привод строительных и дорожных машин. - М.: Стройиздат,
1978.
6. Идельчик И.Е.
Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.; Росэнергоиздат, 1975.
Размещено
на