Гідравлічний розрахунок гідроприводу

Гідравлічний розрахунок гідроприводу

Гідравлічний розрахунок гідроприводу

1. Завдання на курсовий проект

1.1       Постановка завдання

Гідропривід із замкнутою циркуляцією приводить в обертання лебідку. При роботі гідроприводу мають місце втрати робочої рідини в його елементах. Для її компенсації в схему гідроприводу включений допоміжний насос 4, який здійснює підкачку рідини у всмоктувальну лінію основного насоса 1. Допоміжний насос включається в роботу автоматично при падінні робочої подачі основного насоса на .

1.2       Вихідні дані

Ефективний тиск гідро двигуна……………………….…..p_еф

Крутний момент на валу лебідки…………………….…М

Частота обертання вала гідродвигуна…………………….…n

Загальна довжина трубопроводів………………………….…L

Падіння подачі основного насоса…………………….…………

Температура робочої рідини……………………………….….Т

Коефіцієнт корисної дії основного насоса…………………….….h_н

Коефіцієнт корисної дії гідродвигуна…………………….h_д

Кількість поворотів труб під α=60^о……………………………. п₁

Кількість поворотів труб під α=90^о…………………………. п₂

Таблиця 1.1 - Числові значення вихідних даних

Робоча рідина (масло)        Р_еф, МПа              М, Н м   n, об/хв  L, м        ,

%Т,

.3         Перелік розрахункових питань

Ø  Визначити діаметри труб.

Ø  Провести механічний розрахунок труб і підібрати їх по ГОСТ-у.

Ø  Визначити втрати напору на дільницях трубопроводів.

Ø  Розрахувати підвищення тиску в гідросистемі, якщо зупинка гідродвигуна відбувається на протязі 0,4 с.

Ø  Розрахувати конструктивні параметри шестеренного гідродвигуна для приводу лебідки.

Ø  Визначити робочі параметри основного і допоміжного насосів.

Ø  Визначити коефіцієнт корисної дії гідроприводу.

Ø  Виконати креслення схеми і одного з елементів гідроприводу.

2. Визначення діаметрів труб

2.1       Методика розрахунку

Всі присутні в гідроприводах гідромашини, а також агрегати управління і допоміжна апаратура з’єднанні між собою трубопровідними лініями.

Умовно розбиваємо гідропривід на чотири основних ділянки:

І - напірна, від основного насосу до гідродвигуна;

ІІ - всмоктувальна, від гідродвигуна до основного насосу;

ІІІ - напірна лінії підкачки;

ІV - всмоктувальна лінії підкачки, від гідробаку до допоміжного насосу.

Діаметр в трубопровідних ліній визначається за формулою:

де Q - витрата рідини;- середня швидкість.

Витрата рідини Q, для гідроприводу обертового руху визначається за формулою:

де М - крутний момент на валу гідродвигуна;

ω - кутова швидкість гідродвигуна;

Δp - робочий перепад тиску на двигуні (ефективний тиск p_еф)

η_д - об’ємний коефіцієнт корисної дії гідродвигуна.

Витрату рідини для лінії підкачки визначається:

Кутову швидкість визначимо із залежності:

де π = 3,14;- частота обертання гідродвигуна.

Розрахункова товщина стінки труб визначається за формулою:

де m - відхилення по діаметру труби, приймаємо m=0,1 мм;

р - максимальний робочий тиск в гідроприводі, приймаємо р=2p_еф;- допустимі відхилення товщини стінки, приймаємо n=0,9;- діаметр труби;

 - допустима напруга матеріалу труби на розрив, приймаємо для сталі =140 МПа.

2.2       Механічний розрахунок труб

Розраховуємо кутову швидкість гідродвигуна:

Орієнтовно вибираємо швидкості руху рідини на ділянках гідроприводу:

Розраховуємо витрати рідини на ділянках гідроприводу:

Визначаємо необхідні діаметри труб на ділянках гідроприводу, які забезпечать необхідну витрату для прийнятої швидкості руху рідини:

Розраховуємо товщину стінок труб, яка забезпечить їх міцність на розрив від тиску в системі:

2.3      
Підбір труб згідно ГОСТ 8734-75

В даному гості наведений сортамент стальних, безшовних холодно-тянутих труб.

Підбираємо труби для кожної ділянки гідроприводу.

Ділянка І - тонкостінні:

Ділянка ІІ - тонкостінні:

Ділянка ІІІ - тонкостінні:

Ділянка ІV - тонкостінні:

Уточнюємо швидкості руху рідини в трубах гідроприводу:

3. Визначення втрат напору на дільницях трубопровідної системи

3.1       Методика розрахунку

Втрати напору визначаються сумою втрати від тертя (по довжині труби) і втрати в місцевих опорах

Втрати напору від тертя визначаються за формулою Дарсі:

де λ - коефіцієнт гідравлічного опору;- довжина трубопровідної лінії, м;- внутрішній діаметр труби, м;

υ - швидкість робочої рідини в лінії м/с.

Для визначити коефіцієнта гідравлічного опору треба знати який режим руху і яка зона тертя.

Для цього знайдемо число Рейнольда за формулою:

де υ - швидкість рідини в лінії;

ν - кінематична в’язкість рідини при робочій температурі.

Якщо , то режим руху ламінарний, і коефіцієнт гідравлічного опору знаходиться за формулою:

Якщо , режим руху турбулентний, знаходимо перехідні числа Рейнольдса R_eI і R_eII за формулами:

де d - внутрішній діаметр труби, мм;

Δе - середнє значення еквівалентної шорсткості, мм (Т.4.2 ст. 112).

Якщо  - зона гладкостінного тертя, то коефіцієнт гідравлічного опору знаходиться за формулою Блазіуса:

Якщо  - зона змішаного тертя, то коефіцієнт гідравлічного опору знаходиться за формулою Альтшуля:

Якщо  - зона шорсткого тертя, то коефіцієнт гідравлічного опору знаходиться за формулою:

Втрати напору в місцевих опорах обчислюються за формулами Вейсбаха:

де ξ - коефіцієнт місцевого опору;

υ - швидкість робочої рідини лінії, м/с.

При проведенні гідравлічних розрахунків параметри робочої рідини необхідно привести до відповідних температурних умов в процесі експлуатації гідроприводу.

Густину рідини при робочій температурі t визначаємо за формулою

де ρ_о - густина рідини при температурі t_о, кг/м³;

α - коефіцієнт температурного розширення рідини приймаємо α=7·10^-4 град^-1;- температура рідини в процесі роботи гідроприводу;_о - температура рідини при якій задана густина ρ_о.

Також для подальших розрахунків нам необхідно знайти коефіцієнт кінематичної в’язкості при робочій температурі. Коефіцієнт кінематичної в’язкості при робочій температурі визначаємо за формулою

де ν_о - коефіцієнт кінематичної в’язкості;- основа натурального логарифма;- стала степені (показник віскограми);- робоча температура рідини;_о - температура при якій відомий коефіцієнт в’язкості ν_о.

Показник віскограми знаходиться за формулою:

де ν і ν_о - відомі значення кінематичної в’язкості рідини;і t_о - відповідні температури при яких відомі значення кінематичної в’язкості.

3.2       Розрахунок втрат напору на дільницях трубопровідної системи

Визначаємо густину рідини при робочій температурі t=57^о С. Для нашого випадку робоча рідина - масло веретенне АУ при температурі t_о=50^о С має густину ρ_о=892 кг/м³, тоді:

Визначаємо коефіцієнт кінематичної в’язкості при робочій температурі.

З додатку В ст. 71, маємо що при температурах

Знаходимо показник віскограми:

Коефіцієнт кінематичної в’язкості:

Для визначення втрат на ділянках трубопровідної системи необхідно прийняти довжини для кожної з них, виходячи з загальної дожини трубопроводів (L=17_.м) і рекомендацій по співвідношення довжин ланок системи. Отже приймаємо:

Ділянка L_III в свою чергу має одинарну і розгалужену частини:

Ø  від допоміжного насоса до трійника

Ø  від трійника до основного кола гідроприводу

Аналіз напірної ділянки - І

А) Втрати напору від тертя

Визначаємо число Рейнольдса

Оскільки  то режим руху турбулентний.

 - зона змішаного тертя, тоді:

Отже втрати від тертя будуть рівними:

В) Втрати напору в місцевих опорах

Ділянка І містить:

Ø  1 кутник (α=90^о) - ξ=1,32;

Ø  1 кутник (α=60^о) - ξ=0,56;

Ø  1 трійник - ξ=0,32;

Втрати напору в місцевих опорах:

Загальні втрати напору першої ділянки:

Рисунок 3.1 - Схема розбиття труб гідроприводу на відповідні ділянки

Аналіз всмоктувальної ділянки - ІІ

А) Втрати напору від тертя

Визначаємо число Рейнольдса

Оскільки  то режим руху турбулентний.

 - зона гладкостінного тертя, тоді:

Отже втрати від тертя будуть рівними:

В) Втрати напору в місцевих опорах

Ділянка ІІ містить:

Ø  1 кутник (α=90^о) - ξ=1,32;

Ø  1 трійник - ξ=0,32;

Втрати напору в місцевих опорах:

Загальні втрати напору другої ділянки:

Аналіз напірної ділянки - ІІІ

А) Втрати напору від тертя

Визначаємо число Рейнольдса (для ділянок )

Оскільки  то режими руху турбулентні.

 - зона змішаного тертя, тоді:

 - ламінарний режим, тоді:

Отже втрати від тертя будуть рівними:

В) Втрати напору в місцевих опорах

Втрати напору в місцевих опорах:

Втрати від перепаду тиску в зворотному клапані:

Загальні втрати напору третьої ділянки:

Аналіз всмоктувальної ділянки - ІV

А) Втрати напору від тертя

Визначаємо число Рейнольдса:

Оскільки  то режими руху ламінарний.

Отже втрати від тертя будуть рівними:

В) Втрати напору в місцевих опорах

Ділянка ІV містить:

Ø  1 вхід в трубу з резервуару - ξ=0,5;

Ø  1 фільтр - Δp.

Втрати напору в місцевих опорах:

Втрати від перепаду тиску у фільтрі:

Загальні втрати напору на четвертій ділянці:

4. Розрахунок підвищення тиску в гідросистемі від зупинки гідродвигуна

Необхідно розрахувати підвищення тиску в гідросистемі, якщо зупинка гідродвигуна відбувається на протязі 0.4 с.

Спочатку знайдемо з якою швидкістю розповсюджується ударна хвиля. Цю швидкість можна знайти за формулою:

де к - модуль пружності рідини, Па;

ρ - густина рідини, кг/м³;- внутрішній діаметр труби, мм;

δ - товщина стінки труби, мм;

Е - модуль пружності матеріалу труби, Па.

В нашому випадку модуль пружності трансформаторного масла дорівнює к=1.72 10⁹ Па; густина Веретенного масла при робочій температурі становить ; внутрішній діаметр напірної труби (тому, що гідравлічний удар буде спостерігатися саме в напірній лінії) становить d_н=38 мм; товщина стінки напірної труби ; модуль пружності вуглецевої сталі, з якої виготовлена труба становить Е=206 10⁹ Па.

Знайдемо швидкість розповсюдження ударної хвилі:

Тепер визначаємо, який вид гідравлічного удару ми будемо мати - прямий чи непрямий. Якщо фаза гідравлічного удару буде більшою, ніж час зупинки гідродвигуна то буде мати місце прямий гідравлічний удар. А якщо фаза гідравлічного удару буде меншою, ніж час зупинки гідродвигуна то буде мати місце непрямий гідравлічний удар.

Фазу гідравлічного удару визначаємо за формулою:

де l - довжина напірної лінії, м;

С - швидкість розповсюдження ударної хвилі, м/с.

Як бачимо з розрахунку фаза гідравлічного удару значно менша, ніж час зупинки гідродвигуна  Отже маємо справу з непрямим гідравлічним ударом.

Тепер знайдемо підвищення тиску в гідросистемі при непрямому гідравлічному ударі за формулою:

де ρ - густина трансформаторного масла при робочій температурі, кг/м³;

- швидкість рідини в напірній лінії, м/с;- довжина напірної лінії, м;₃ - час зупинки гідродвигуна, с.

Отже, при зупинці гідродвигуна на протязі 0.2 с тиск зросте на величину:

При розрахунку труб ми максимальний тиск в системі підвищували на 1 МПа, тому підвищення тиску в системі на таку незначну величину не призведуть до розривів в системі.

труба тиск гідродвигун гідравлічний

5. Розрахунок конструктивних параметрів шестеренного гідродвигуна для приводу лебідки

5.1       Загальні відомості та будова шестеренного гідродвигуна

Шестеренні гідродвигуни конструктивно є простими, компактними, надійними, здатними до перевантажень та недорогими. Як недоліки цього типу гідродвигунів слід відзначити шум при роботі та малий об’ємний ККД, особливо при малій в’язкості робочої рідини.

Рисунок 5.1 - Схема шестеренного гідродвигуна з зовнішнім зачепленням

На рисунку 5.1 наведена принципова схема шестеренного гідродвигуна із зовнішнім зачепленням зубців. Головним його елементом є два зубчаті колеса 1 з однаковою кількістю зубців z, шириною b, та діаметром початкового кола D_n, які розміщенні у корпусі 2 мі двома щільно притиснутими торцевими дисками 3.

Стиснута робоча рідина підводиться в патрубок А. Під дією високого тиску рідина тисне на зубці коліс, що приводить їх в рух. Зубці, виходячи із зачеплення, збільшують об’єм камери, відбувається розширення робочої рідини, тиск зменшується - виконується корисна робота.

Робоча рідина заповнює впадини між зубцями і переноситься ними на протилежну сторону. Тут відбувається зменшення камери при входженні зубців шестерень у зачеплення. Далі рідина потрапляє через патрубок B в всмоктувальну лінію основного насосу.

5.2       Розрахунок параметрів гідродвигуна

В даному розділі необхідно спроектувати шестеренний гідродвигун який забезпечив би нормальну роботу лебідки. Вихідними даними будуть наступні величини:

-   витрата робочої рідини в гідродвигуні - Q_д = 3,325·10^-3 м³/с;

-   коефіцієнт корисної дії гідродвигуна - h_д = 0,85;

-   обертання вала гідродвигуна - n = 1000 об/хв;

Теоретичну витрату ідеального гідродвигуна шестеренчастого типу можна визначити через його геометричні параметри:

де m - модуль зубчастого зачеплення, мм;- кількість зубців шестерень;- ширина шестерні, мм;- частота обертання шестерень (вала), об/хв.

З другого боку теоретичну витрату можна визначити знаючи дійсну витрату і об’ємний ККД гідродвигуна:

Для двигунів даного типу кількість зубців шестерень назначають в залежності від необхідної плавності роботи двигуна (при збільшенні числа зубців шестерень плавність роботи покращується). Зазвичай кількість зубів не перевищує 12-14. В нашому випадку приймаємо Z=10, а модуль m=7 мм.

Тоді діаметр початкового кола шестерень:

Висота зубців:

Ширину шестерень визначимо з виразу теоретичної витрати, при відомих інших параметрів даної залежності:

За підібраними і розрахованими геометричними параметрами шестеренного гідродвигуна виконуємо креслення, яке приведене в графічній частині курсового проекту.

6. Визначення робочих параметрів насосів в системі

6.1       Розрахунок основного насосу

Необхідний тиск основного насоса для нормальної роботи гідроприводу визначаємо за формулою:

де  - необхідний робочий тиск на гідродвигуні;

 - втрати тиску в колі основного насосу.

Необхідний робочий тиск на гідродвигуні (ефективний):

де ρ - густина рідини при робочій температурі, кг/м³;

 - втрати напору на ділянках І і ІІ, м.

Отже, необхідний тиск насоса буде становити:

Необхідна подача, яку повинен створити насос рівна фактичній витраті гідродвигуна:

Визначаємо робочий об’єм насоса за формулою:

де Q - подача основного насосу, см³/с;- частота обертання вала насоса (стандартна частота асинхронного двигуна n=1450 об/хв).

Отже, робочий об’єм насоса буде становити:

6.2       Розрахунок допоміжного насосу

Необхідний тиск допоміжного насоса, який забезпечує підкачку рідини в коло основного насосу визначаємо аналогічно:

де  - необхідний робочий тиск на гідродвигуні;

 - втрати тиску в лінії допоміжного насосу.

Необхідний робочий тиск на гідродвигуні (ефективний):

Втрати в лінії допоміжного насосу складають:

де ρ - густина рідини при робочій температурі, кг/м³;

 - втрати напору на ділянках ІІ і ІV, м.

Отже, необхідний тиск насоса буде становити:

Подача, яку створює насос повинна забезпечити нестачу витрати рідини в основному колі при спаді подачі основного насосу

де Q_д - витрата робочої рідини на гідродвигуні, м³/с;

Δq - падіння подачі основного насосу, %.

Визначаємо робочий об’єм насоса за формулою:

де Q - подача допоміжного насосу, см³/с;- частота обертання вала насоса (стандартна частота асинхронного двигуна n=1450 об/хв).

Отже, робочий об’єм насоса буде становити:

7. Визначення коефіцієнта корисної дії гідроприводу

Оцінка ефективності роботи гідроприводів проводиться на основі коефіцієнта корисної дії гідроприводу, який визначається співвідношенням:

де  - корисна потужність гідродвигуна, Вт;

 - потужність, що споживається насосом, Вт.

Для гідродвигуна обертового руху

де М - момент на валу гідродвигуна, Н·м;

ω - кутова швидкість, рад/с.

Тоді:

Потужність, яку використовує основний насос при роботі на гідропривід визначається за формулою:

де  - робочий тиск насоса, Па;

 - подача насоса, м³/с;

 - коефіцієнт корисної дії насоса (приймаємо 0,8).

Згідно характеристики вибраного нами насоса маємо:

Отже, коефіцієнт корисної дії гідроприводу буде:

Висновок

Використання гідроприводів спрощує, як правило, рішення багатьох задач, вчасності значно спрощує автоматизацію виробничих процесів і підвищує якість машин, дозволяє значно зменшити їх вагу і габарити. Остання перевага має особливо важливе значення для сухопутних, водяних і повітряних транспортних машин, установок гірничої та вугільної промисловості, будівельних і дорожніх машин та ін.

Важливу роль гідроприводи відіграють також в технічному процесі різних машин стаціонарного типу. Так, наприклад, в металообробних верстатах вирішуються питання автоматизації механічних процесів, а саме - автоматизації операцій обробки деталей по шаблонах.

Шестеренні гідродвигуни конструктивно є простими, компактними, надійними, здатними до перевантажень та недорогими. Як недоліки цього типу гідродвигунів слід відзначити шум при роботі та малий об’ємний ККД, особливо при малій в’язкості робочої рідини.

Стиснута робоча рідина підводиться в патрубок А. Під дією високого тиску рідина тисне на зубці коліс, що приводить їх в рух. Зубці, виходячи із зачеплення, збільшують об’єм камери, відбувається розширення робочої рідини, тиск зменшується - виконується корисна робота.

Робоча рідина заповнює впадини між зубцями і переноситься ними на протилежну сторону. Тут відбувається зменшення камери при входженні зубців шестерень у зачеплення. Далі рідина потрапляє через патрубок B в всмоктувальну лінію основного насосу.

Література

1 Гідравліка. Збірник задач і вправ. Навчальний посібник. Ч 2. Л.В. Возняк, Р.Ф. Гімер. Івано-Франківськ, 2009 р.

Гідравліка. Збірник задач і вправ. Навчальний посібник. Ч 1. Л.В. Возняк, Р.Ф. Гімер. Івано-Франківськ, 1997 р.

Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник для машиностроительных вузов. Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Нерасов и др. Изд. 2-е, перераб. Москва, «Машиностроение», 1982 г.

Курсова робота. Гідравліка, гідропривід і гідропневмоавтоматика обланнання. М. Мердух. Івано-Франківськ, 2010 р.