Исследование режима работы гидропривода

Введение

гидропривод трудопровод схема

Гидропередачи, снабженные системами автоматического или ручного управления, образуют гидроприводы, которые благодаря нижеперечисленным преимуществам широко используют в различных металлообрабатывающих станках , на летательных аппаратах (самолетах, вертолетах, ракетах), на сухопутных транспортных машинах (колесных и гусеничных) , в строительно-дорожных машинах и подъемно-транспортных машинах , в прокатных станках и т.п.

Гидравлический привод машин получил широкое применение. Практически вся техника в той или иной степени оснащена гидроприводом . Причиной широкого использования гидропривода является ряд его преимуществ перед редукторным или канатно-блочным приводом. Этими преимуществами являются :

1. Плавность и равномерность движения рабочих органов.

2. Возможность получения больших передаточных отношений.

3. Возможность бесступенчатого регулирования скоростей в широком диапазоне.

4. Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотное.

5. Малый момент инерции, обеспечивающий быстрое реверсирование.

6. Четкость стандартизации и унификации основных элементов.

7. Небольшой вес и малые габариты гидрооборудования.

8. Высокий КПД.

9. Практическая мгновенность передачи командных импульсов.

10.Простота предохранительных устройств и их высокая надежность.

11.Легкость управления и регулирования.

12.Самосмазываемость оборудования.

В машинах гидропривод применяется для привода рабочего оборудования, гусеничного и колесного ходового оборудования, выносных опор, рулевого управления. В одних машинах гидропривод используется только для привода рабочего оборудования, а у других насосная станция обеспечивает гидропривод всех механизмов.

На различных современных машинах все более широкое применение находят гидропередачи (гидроприводы) и гидроатоматика.

1. Анализ условий и режимов работы гидропривода

Гидропривод содержит один гидроцилиндр , работа которого задана нагрузкой на штоке :

F=a₀ +b₀ *x+c₀*x² , где а₀=42 кН, b₀=30 кН/м , с₀=50 кН/м²,

х - координата хода поршня гидроцилиндров , м.

Ход штока гидроцилиндра h=0,8 м. Скорость штока гидроцилиндра υ=0,15 м/с.

Гидроцилиндр одностороннего действия (выдвижение) с односторонним штоком .

Гидропривод содержит два гидромотора, работа которых задана следующими одинаковыми параметрами :

М=260 Н*м - момент сопротивления на валу рабочего органа.

n=400 об/мин - частота вращения вала рабочего органа.

Гидромоторы включены в схему параллельно и работают синхронно . Гидромоторы реверсивные .

Работа гидроцилиндров и гидромоторов может осуществляться как одновременно так и по отдельности . Это существляется с помощью двух- контурной схемы .

Режим работы гидропривода - средний .

Температура внешней среды находится в пределах -30…+30 ⁰С.

2. Выбор гидромашин , гидроаппаратов и кондиционеров рабочей жикости

Технико-экономические показатели проэктируемого гидропривода зависят от принятого номинального давления Р_ном .Приму Р_ном=16 Мпа.

.1 Выбор гидроцилиндра

Для выбора гидроцилиндра необходимо определить диаметр поршня , при котором гидроцилиндром при принятом давлении в гидросистеме будет развиваться требуемое усилие .

Диаметр гидроцилиндра одностороннего действия с односторонним штоком при работе на выдвижение :

 , (2.1)

где  - давление в поршневой полости , Па ;

 - давление в штоковой полости , Па ;

 - усилие на штоке , Н ;

 - механический КПД гидроцилиндра ;

 - коэффициент мультипликации , численно равный

отношению площадей поршневой полости к

штоковой полости гидроцилиндра ,

 ; (2.2)

 - диаметр штока .

Примем =1,33 ;

 ;

;

;

Округляем вычисленный диаметр гидроцилиндра до значения регламентируемого ГОСТ 6540-68 . Отсюда  . Так как скорость перемешения поршня  , то необходимость в демпфирующем устройстве отпадает автоматически .При работе гидроцилиндра на выдвижение штока для получения заданной скорости поршня в поршневую полость с площадью  следует подать теоретический расход :

 . (2.3)

Действительный расход в напорной линии насоса , предназначенный для питания гидроцилиндра в левой ветви схемы :

. (2.4)

.2 Выбор гидромотора

Для выбора гидромотора необходимо определить мощность на валу рабочего органа , связанного с выбираемым гидромотором:

 , (2.5)

где  - момент сопротивления , Н*м.

 - угловая скорость рабочего органа .

 - частота вращения , мин.

.

Требуемая полезная мощность гидромотора равна :

 (2.6)

где  - КПД редуктора .

Теперь уже можем подбирать гидромотор , моим параметрам соответствует планетарный гидромотор типа МГП-200 (его полные параметры приводятся в таблице 2.1).

Таблица 2.1 - технические характеристики планетарного гидромотора МГП-200.

Теперь необходимо определить момент на валу мотора :

, (2.7)

где  - рабочий объем гидромотора ,м.

 - перепад давления на гидромоторе , Па.

 - гидромеханический КПД гидромотора .

 (2.8)

Частота вращения вала гидромотора ( требуемая ) равна :

. (2.9)

Действительный расход рабочей жидкости через гидромоторы :

 (2.10)

Действительный расход в напорной линии насоса , предназначенной для питания двух одновременно работающих гидромоторов :

 .

.3 Выбор гидронасоса

При выборе гидронасоса учитывают принятое номинальное давление в проектируемом гидроприводе  , а также величину расхода рабочей жидкости в напорной линии насоса  , требуемого для питания всех одновременно работающих гидродвигателей :

. (2.11)

Требуемая подача насоса  равна расходу в напорной линии , т.е.  .

Этому расходу не соответствует ни один насос , по этому я решил разбить схему на два рукава и установить по одному шестеренному насосу на каждый рукав одной марки НШ5СА-3 , в зависимости от частоты вращения вала насоса получу требуемый расход в напорных линиях. Полные параметры приводятся в таблице 2.2 :

Таблица 2.2 - Технические характеристики шестеренных насосов.

.4 Выбор гидрораспределителей

Количество гидрораспределителей зависит от количества функций и режимов работы гидропривода.

Так как в одной ветви моей гидросхемы предполагается установить параллельно два реверсивных гидромотора ,соответственно для этого достаточно одного трехсекционного , с управлением от рукоятки , с фиксатором гидрораспределителя Р2 типа РС с условным проходом 20 мм , чтобы обеспечить три режима работы гидромоторов : 1) вращение по часовой стрелке вала гидромотора , 2) вращение против часовой стрелки вала гидромотора , 3) выключенное состояние.

Во второй ветви гидропривода , питающей гидроцилиндр , аналогично достаточно установить трехсекционный , с управлением от рукоятки , с фиксатором гидрораспределитель Р1 типа РС с условным проходом 20 мм , чтобы обеспечить три режима работы гидроцилиндра : 1) выдвижение , 2) нейтральное состояние , 3) втягивание штока поршня под силой тяжести груза.

Таблица 2.3 - Технические характеристики секционных распределителей типа РС .

.5 Выбор гидроклапанов

Для предохранения гидравлической системы от чрезмерно высоких давлений на выходе насосов я решил установить по одному предохранительно-перепускному клапану КП1 и КП2 типа 520.12.10.01 с условным проходом и 16 мм., диапазоном регулирования давления 10…32 МПа и номинальным расходом 100л/мин каждый , так же перепускной клапан непрямого действия КП3 типа 64 000 с условным проходом 32 мм, номинальным расходом 250 л/мин, установленный параллельно фильтру на тот случай если фильтр засориться и перестанет пропускать рабочую жидкость.

Клапан КП1 должен срабатывать при повышении давления в напорной линии выше 16 МПа при этом происходит сли рабочей жидкости прямо в бак, аналогично должен работать клапан КП2.

Данный гидропривод так же имеет систему односторонних гидрозамков КО1 типа 61 700 и КО2 типа 541.12 , которые обеспечивают протекание рабочей жидкости только в одном направлении . Обратный клапан должен отвечать следующим требованию - номинальный расход 100 и 63 л/мин соответственно для КО1 и КО2 .Условные проходы для них 20 и 12 мм. соответственно , масса 4,2 кг , габаритные размеры 140*100*75 мм.

2.6 Выбор гидробака

Бак является неотъемлимой частью любого гидропривода, так как в нем находится основной объем рабочей жидкости, поэтому к выбору гидробака следует отнестись достаточно серьезно. Неправильно подобранный гидробак может значительно повлиять на полный КПД гидропривода , а так же вывести из строя всю систему в результате неправильного охлаждения масла , плохого всасывания и диаэрации, температурного расширения рабочей жидкости.

Вместимость бака мобильной машины  рассчитывается из зависимости 1,5..2,0 , где  есть суммарный объем всех элементов гидропривода (полостей гидроцилиндров, трубопроводов, фильтров, гидромоторов и т.д.) , но не менее 0,3 минутной подачи насосов. Бак должен заполняться не более чем на  , эти 20 % свободного объема пойдут на покрытие температурного расширения рабочей жидкости , а так же для обеспечения воздуховыделения.

Проведем необходимые расчеты :

 (2.12)

 (2.13)

 (2.14)

В итоге получаем бак с объемом  , в соответствии с ГОСТ 12448-80 номинальный объем бака будет составлять 63 литра , что вполне нас устраивает.

Для большей теплоотдачи бак выполним в форме параллелепипеда.

2.7 Выбор гидрофильтра

Наличие в системе гидрофильтра в значительной степени увеличивает срок службы тех или иных устройств , что в целом улучшает экономические и эксплуатационные показатели. Так как проектируемый гидропривод устанавливается на мобильных машинах с разомкнутой циркуляцией , то целесообразней установить полнопоточную фильтрацию рабочей жидкости на сливе .Фильтр выберем по номинальному расходу на сливе (132 л/мин) , номинальное давление 0,63 МПа. Таким требованиям будет отвечать фильтр с тонкостью очистки в 25 мкм , с условным проходом в 40 мм и номинальным расходом 160 л/мин.

3. Разработка принципиальной схемы

Гидравлическая принципиальная схема содержит информацию об элементной базе , связях между элементами и дает представление о принципах работы гидропривода .

При вычерчивании схемы использовались следующие стандарты:

·   ГОСТ2.704-76 "Правила выполнения гидравлических схем";

·   ГОСТ2.780-68 "Обозначения условные графические, элементы гидравлических и пневматических сетей";

·   ГОСТ2.781-68 "Аппаратура распределительная и регулирующая гидравлическая";

·   ГОСТ2.782-68 "Обозначения условные графические. Насосы и двигатели гидравлические";

·   ГОСТ2.784-70 "Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов".

Исходная схема приведена в приложении В.

4. Выбор трубопроводов

Согласно принятому требованию по номинальному давлению в гидроприводе 16 МПа трубопровод выполним из цельнотянутых труб (ГОСТ 8734-75 ) из стали 20 .

Таким образом , зная расход жидкости на каждом участке и задваясь рекомендуемой скоростью  , определяем внутренний диаметр трубопровода  по формуле :

, (4.1)

Определив внутренний диаметр трубопровода оченьпросто определить внешний диаметр предварительно задав толщину стенки. В данной курсовой работе внешний диаметр трубопровода был подобран в соответствии с ГОСТ 8734-75. Технические характеристики участков линии трубопровода приведены в приложении на странице .

5. Выбор рабочей жидкости

Жидкость в гидроприводе является рабочем телом и служит для передачи механической энергии от вала насоса к выходному звену (валам гидромотора и штоку гидроцилиндра). Наряду с указанными функциями рабочая жидкость так же выполняет ряд дополнительных функций, а именно смазка , отдача тепла внешней среде , удаления из контактных зон продуктов изнашиванния , защита от коррозии.

Рабочая жидкость , используемая в гидроприводах мобильных машин должна иметь высокую смазывающую способность; пологую температурную

вязкостную характеристику ; низкую упругость насыщенных паров ; стабильные физические и химические свойства ; высокий объемный модуль упругости ; хорошую теплопроводность высокие диэликтрические качества ; высокая температура воспламенения. Кроме того , они должны обладать высокой противопенной стойкостью , исключающей образование воздушно-маслянной суспензии ; стойкость к окислению ; не образовывать смолистых осадков; быть нейтральным к материалам , из которых изготавливаются детали привода ; нетоксичными и взрывоопасными.

В гидроприводе мобильной машины в качестве рабочей жидкости используются минеральные масла , изготавливаемые на нефтяной основе путем переработки нефти с последующим введением специальных присадок, улучшающих те или иные свойства .

В гидросистемах с шестеренными гидронасосами в основном используются масла  и  ГОСТ 8581-78 .В целях экономии выберем масло марки .

Таблице 5.1 - приведена характеристика минерального масла  .

Показатель            Плотность при , кг/минВязкость кинематеческая, сСт,

При 100Температура вспышки не ниже,

Температура застывания

Не выше,

9058200-25

6.Разработка программного и математического анализа

Инженерные методы функционального анализа гидропривода основываются на поэлементном рассмотрении проектируемой системы. В основном придерживаются следующего порядка: 1. Выделение диссипативных элементов и соответственно на каждом определяются потери фазовой переменной типа потенциала (в нашем случае это - давление). 2. На втором этапе определяются суммарные потери , которые сравниваются с энергией подведенной к гидроприводу и соответственно в результате определим КПД всей системы .

Я решил реализовать математическую модель , с помощью которой данный гидропривод рассматривается как единая сложная не линейная система находящаяся во взаимодействии с окружающей средой . Ниже приведены графическая и математическая инвариантная модель.

При составлении графической модели моя принципиальная схема притерпела ряд упрощений , чтобы математическая модель не оказалась весьма громоздкой и была легка в понимании. при условии сохранения основных физических свойств и характеристик .

Ниже приводятся математическая и графическая модели для общего состояния системы , при котором гидромоторы и гидроцилиндр работают одновременно так как этот случай для данной системы является самым нагруженным и все остальные состояния являются производными и легко вытекают из общего состояния.

.1 Разработка графической модели

На основании исходной принципиальной схемы можно построить графическую модель данного гидропривода. В графической модели не будем указывать ряд гидроаппаратов таких как гидрораспределители , клапана и фильтр.

Число участков на исходной принципиальной схеме и на графической модели будет одинаковым, чтобы обеспечить возможность анализа на всасывании насосов и на сливе. Для каждого участка известен расход , местное сопротивление и т.д. Их конкретные значения можно узнать из таблицы .Графическая модель приводится в приложении на стр .

.2 Разработка математической модели

На основании разработанной графической модели создается математическая модель ,с помощью которой описываются все процессы и операции происходящие в гидроприводе. Данная математическая модель включает основные уравнения :

1)   уравнение насоса

2)   уравнение гидродвигателей

3)   уравнение баланса давления на участках

4) уравнение баланса мгновенных объемных расходов.

Моя математическая модель отражает работу гидропривода в режиме одновременной работы гидроцилиндра и гидромоторов причем направление вращения валов гидромоторов не имеет значения . Если же необходимо построить математическую модель при работе одного из устройств , то просто остальные уравнения не работают или их можно исключить из математической модели . Выходным параметром математической модели является КПД всего гидропривода , на основании которого мы можем судить о целесообразности использования тех или иных устройств .Ниже приведены системы уравнений , которые описывают все выше сказанное :

 (6.1

Система 6.1 позволяет найти значение кинематической вязкости в зависимости от температуры в пределах от 30 до 150 градусов. В формулу для степени вязкость необходимо подставлять в стоксах.

где  - коэффициенты , которые находятся по формуле :

Значения длин участков , диаметров , коэффициенты шероховатости и значения местного сопротивления в таблице приложения .

.3 Разработка программного обеспечения

Программное обеспечение позволят конструктору быстро, легко и просто разработать новый гидропривод путем изменения ряда параметров. В данной курсовой работе реализовано программное обеспечение электронных таблиц среды Excel позволяющих отслеживать информацию по всем параметрам гидропривода, а так же построить графики зависимостей ряда величин.

В этой среде происходит визуальное отслеживание результатов программы. Разработка программы в среде Delphi дала бы более современный интерфейс программы, но в ней было бы затруднительно построение графиков, а так же в этой среде невозможен целостный анализ функционирования гидропривода, поэтому для данного гидропривода целесообразнее применить среду Excel , чтобы сократить время разработки программного обеспечения.

.4 Анализ теплового режима гидропривода

Неизбежным процессом нагревания сопровождается работа любого гидропривода , для контроля этого явления необходимо провести тепловой анализ гидропривода. Это явление вызвано переходом механической энергии в тепловую посредством гидравлических сопротивлений имеющих место в гидроприводе .

В математической модели приведена зависемость уменьшения кинематической вязкости от роста температуры рабочей жидкости , а это сказывается на работе всего механизма , его КПД , а именно увеличение объемных потерь в гидроприводе , нарушение режима смазки поверхностей трения , интенсификации окислительных процессов в рабочей жидкости и процессов выделения смолистых осадков.

Тепловой поток Ф , выделяемый в гидроприводе , эквивалентен потерям мощности :

 (6.5)

С целью упрощения иногда  определяют по следующей формуле :

 (6.6)

где  - коэффициент продолжительности работы гидропривода ;

 - коэффициент использования номинального давления.

Тепловой анализ гидропривода основывается на регулировании теплового баланса , которое для стационарного режима имеет следующий вид :

 (6.7)

где  - тепловой поток , передаваемый в окружающую среду.

 (6.8)

где  - среднее значение коэффициента теплопередачи ;

 - суммарная площадь поверхности теплообмена (охлаждаемая поверхность гидробака , трубопровода , насоса и т.д.)

Из уравнения 6.8 получим значение температуры рабочей жидкости

 (6.9)

Значение  для различной температуры внешней среды рассчитано в таблице на странице приложения .

Если  , то гидропривод в отношении теплового баланса рассчитан правильно , если наоборот то необходимо провести расчет по увеличению теплоотдачи устройств .

7. Функциональный анализ гидропривода

Функциональный анализ прежде всего предназначен для оптимизации параметров гидропривода. Для этого необходимо задаться соответствующими входными и выходными параметрами. Все необходимые расчеты берутся из составленной ранее математической модели .

Входными параметрами в данном гидроприводе будут длина линий трубопровода, коэффициенты местного сопротивления, внутренние диаметры труб, а также температура рабочей жидкости.

Выходные параметры, по которым мы сможем судить об эффективности работы системы, будут КПД гидропривода, потери давления или напора и т.д.

Используя разработанное программное обеспечение были составлены графики работы системы , которые приводятся в приложении Г.

Один из важнейших показателей - вязкость масла, которая уменьшается с увеличением температуры рабочей жидкости .

КПД в отличии от вязкости наоборот возрастает с увеличением температуры масла. В совместности это приводит к улучшению работы системы , но необходимо учитывать температуру рабочей жидкости.

Таким образом, можно сказать, что в результате оценки проведения анализа требования к техническому заданию были практически выполнены.

Заключение

В данной курсовой работе был спроектирован объемный гидропривод, который может найти широкое применение в народном хозяйстве Республики Беларусь . Этот гидропривод вполне может использоваться на различного рода гидроподъёмниках или может быть выполнен в качестве пресса , так как усилие цилиндров для этого будет достаточно.

В процессе выполнения курсовой работы была разработана принципиальная схема, содержащая информацию об элементной базе, связях между элементами, представление о принципах работы гидропривода.

На основании принципиальной схемы была разработана графическая модель, которая содержит минимальное количество элементов и значительно проще, чем принципиальная, а также математическая модель, с помощью которой был произведён функциональный анализ гидропривода. При этом гидропривод рассматривается как целостная сложная нелинейная система, взаимодействующая со внешней средой. Технологический цикл гидропривода состоит из ряда операций. При переходе от одной операции к другой изменяется структура, а, следовательно, и математическая модель гидропривода. Однако, вследствие ограниченности возможностей, был рассмотрен случай выполнения гидроприводом основной операции технологического цикла - рабочий ход. В этом случае гидродвигатели преодолевают указанные в задании нагрузки, а рабочие органы, с которыми соединены гидродвигатели, должны перемещаться с заданными скоростями. Разработка математических моделей при выполнении гидроприводом других операций выполняется аналогично. Разработанный гидропривод отвечает поставленным требованиям технического задания, были получены значения КПД при влиянии различных факторов, проведён полный функциональный анализ, по которому были выбраны наиболее оптимальные параметры гидропривода.

Список литературы

1. Гидравлика , гидромашины и гидроприводы : Учебник для вузов /Т.М Башта , С.С Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - М.:Машиностроение,1982.-423 стр.

2. Юшкин В.В.Основы расчета объемного гидропривода.-Мн.:Выш.шк.,1982.-93стр.

3. Щемелев А.М. Проектирование гидропривода машин для земляных работ.-Могилев:ММИ, 1995,-322стр.

4. Васильченко В.А. Гидралическое оборудование мобильных машин: Справочник - М.:Машиностроение .1983 .-301 стр.

5. Гидропневматика и гидропривод мобильных машин. Объемные гидро- и пневмомашины и передачи: Учебное пособие для вузов/А.Ф.Андреев, Л.В. Барташевич и др. Под ред. В.В. Гуськова.-Мн.:Выш. шк.1987.- 310 стр.