Розрахунок гідроприводу

ЗМІСТ Завдання на курсову роботу Вступ

1. Принцип роботи схеми

2. Розрахунок гідроприводу

2.1 Розрахунок потужності і подачі насосу. Вибір насосу

2.2 Вибір розподільників та фільтра

2.3 Розрахунок гідроліній

2.4 Розрахунок втрат тиску в гідросистемі

2.5 Розрахунок ККД гідропривода

2.6 Вибір силових гідроциліндрів

2.7 Вибір гідромотора

2.8 Визначення об'єму бака робочої рідини

2.9 Тепловий розрахунок гідросистеми Література

Завдання на курсову роботу Кількість гідродвигунів:

— кількість гідроциліндрів:1;

— кількість гідромоторів:2;

Умова роботи двигунів: індивідуальна робота;

Номінальний тиск: Р_н = 10 МПа;

Робоча рідина:І-30А;

Температура робочої рідини: 20, 40, 70, 80, 90⁰С;

Максимальна температура довкілля:t_MAX = 40⁰С;

Варіант: № 5

Завдання отримала: 22.02.2008

Термін захисту:01.04.2008

Вихідні дані для розрахунку гідропривода

P₁ = 28 кН V = 0,058 м/с

M₁ =0,048 кНм M₂ =0,048 кНм

n =1300 об/хв l_{1 =} 2,5 м

l₂ = 2,9 м l₃ = 6,4 м

l₄ = 5,4 м l₅ =8,4 м.

Вступ Під об'ємним гідроприводом розуміють сукупність пристроїв, в число яких входять один чи декілька гідродвигунів, джерело енергії рідини, апаратура управління, гідролінії, що призначена для приведення в рух механізмів і машин за допомогою робочої рідини під тиском. В якості робочої рідини у верстатних гідроприводах використовують мінеральне масло. Об'ємний гідропривід необхідний для перетворення енергії потоку масла в енергію руху вихідної ланки гідромашини, робочий процес якої оснований на поперемінному заповненні робочої камери, маслом і витісненні його з робочої камери. Гідроприводи широко застосовуються у сучасному машинобудуванні. Вони дозволяють суттєво спростити кінематику верстатів, знизити їх металоємність, підвищити точність та надійність роботи, а також рівень автоматизації. Широке застосування гідроприводів визначається рядом їх суттєвих переваг перед іншими типами приводів — пневмоприводом та електричним, і перш за все отриманням більших зусиль та потужностей при обмежених розмірах силових виконавчих двигунів, тобто більшою величиною відношення ваги до вихідної потужності. Це полегшує компонування гідроприводів в механізмах.

Також до переваг гідроприводів відносяться наступні:

— дякуючи малій інерційності рухливих частин гідроприводи мають високу швидкодію;

— при умові доброї плавності руху гідроприводи забезпечують широкий діапазон безступінчастого регулювання швидкості виконавчих двигунів.

— важлива перевага гідроприводів — можливість роботи в динамічних режимах при частих ввімкненнях, зупинках, реверсах руху чи змінах швидкості, при чому якість перехідних процесів може контролюватися і змінюватися в потрібному напрямку. Цим пояснюється широке застосування гідравліки у верстатах із звертально-поступальним рухом робочого органа.

— гідропривід дозволяє надійно захистити систему від перевантаження, що дає можливість механізмам працювати по жорстким упорам, при цьому забезпечується точний контроль зусиль шляхом регулювання тиску притискача.

— гідроциліндр в гідроприводі дозволяє отримати прямолінійний рух без будь-яких кінематичних перетворень. До переваг гідроциліндру потрібно також віднести надійність, простоту конструкції, високий ККД (0,95−0,98), малу власну інерційність, можливість вибору певного співвідношення швидкостей прямого і зворотного ходу. Також перевагами гідроприводів є достатньо високе значення ККД, підвищена жорсткість дякуючи великому модулю пружності масла, незначним стискаючим об'ємам і герметичності робочих камер гідродвигунів, самозмащуваність і довговічність. Гідроприводи мають і недоліки, що обмежують їх використання. Недоліками гідроприводу є: — втрати на тертя і витіки при течії масла по трубопроводам і каналам гідросистеми, що знижують ККД гідроциліндра і визивають розігрів робочої рідини, насосної установки та гідроагрегатів;

— надійна робота верстаних гідроприладів може бути гарантована тільки при належній фільтрації робочої рідини. Необхідність застосування фільтрів тонкої очистки підвищує вартість гідроприводів і ускладнює їх технічне обслуговування, однак ці недоліки компенсуються значним зростанням довговічності обладнання.

— технічні параметри гідросистем різко погіршуються при по попаданні повітря і води в мінерально масло.

— зміна в’язкості мінерального масла при його розігріві призводить до зміни пропускної властивості дроселюючих пристроїв і, як наслідок, — до зміни швидкості руху робочих органів. Це явище особливо небезпечне в гідроприводах агрегатних верстатів і автоматичних ліній з жорстким циклом роботи обладнання.

— вузли гідроприводу, як правило, досить трудомісткі у виготовленні, що потребує використання спеціального обладнання і освоєння їх централізованого виробництва на спеціалізованих заводах. В деяких галузях промисловості можливість використання мінерального масла в гідроприводах виключається по міркуванням пожежної безпеки, а застосування негорючих рідин підвищує вартість гідроприводу.

— для налагодження технічного обслуговування і ремонту гідрофікованих верстатів поряд із спеціалістами по механіці та електроніці потрібен спеціаліст-гідравлік.

При правильних конструюванні, експлуатації та виборі оптимальних технічних рішень недоліки гідроприводів можуть бути зведенні до мінімуму.

Досвід показує, що найбільш ефективним є застосування об'ємних гідроприводів у металорізальних верстатах із звортньопоступальним рухом робочого органу, високоавтоматизованих багатоцільових та агрегатних верстатах. Гідроприводи доцільно використовувати в механізмах подач та автоматичної зміни інструменту, гідрокопіювальних супортах, транспортних пристроях, пристроях зрівноважування та гідророзвантаження, фіксації механізмів затискачів, а також в приводах допоміжних верстатних механізмів, що служать для перемикання блоків зубчастих колес, приводу змащування насосів. Крім верстатобудування, гідроприводи широко використовують і в інших галузях народного господарства. Найбільше розповсюдження гідроприводи отримали в системах управління літаків і ракет, широко використовуються в сільськогосподарських машинах, медичній техніці, в маніпуляторах і роботах, будівельних та дорожніх машинах. Застосування засобів гідроавтоматики приводів в усіх галузях промисловості звичайно диктується необхідністю автоматизації без залучення пристроїв, що потребують інших видів енергії, наприклад, енергії газу чи електроенергії, так як при будь-якому перетворенні енергії, як правило, зменшується надійність системи управління. Об'ємні гідроприводи і засоби гідроавтоматики дозволяють вирішити цілий ряд задач, пов’язаних з механізацією і автоматизацією трудомістких виробництв.

1. ПРИНЦИП РОБОТИ СХЕМИ насос гідравліка верстат тиск З бака Б по всмоктувальній гідролінії 1 насос Н всмоктує робочу рідину та подає в напірний трубопровід 2; далі у гідророзподільник Р1. Якщо плунжер розподільника Р1 знаходиться в робочому положенні, тоді рідина подається в гідроциліндр Ц1. Під дією тиску рідини в одній з гідроліній циліндру, поршень перемішується та витісняє рідину з порожнини у яку рухається, рідина скидається через розподільник у зливну гідролінію 5. На зливній магістралі рідина подається на фільтр Ф де зазнає фільтрації. З фільтра рідина потрапляє до баку Б. При робочому положенні плунжера розподільника Р1, рідина подається в гідромотор М по одному з трубопроводів 4, по другому рідина зливається в зливний трубопровід 5, по якому через фільтр Ф рідина попадає в бак Б. Якщо плунжер розподільника Р1 знаходиться в нейтральному положенні, то рідина по зливному трубопроводу 5 через фільтр Ф зливається в бак Б.

Для обмежування тиску та запобігання аварії гідроприводу від розриву його елементів до напірної магістралі приєднаний клапан К, який охороняє систему від перенавантаження. Клапан при перенавантажені відкривається та перепускає робочу рідину на злив в бак Б.

Для роботи гідроциліндра Ц1, потрібно менше рідини, ніж подає насос. Тоді робоча рідина, що не використовується, через клапан К переливається по зливному трубопроводі 5 через фільтр Ф в бак Б. В цьому випадку клапан К працює як переливний.

2. РОЗРАХУНОК ГІДРОПРИВОДУ

2.1 Розрахунок потужності і подачі насосу Вибір насоса

· Потужність що підводиться до гідроциліндра, кВт:

(1)

Де Fзусилля на штоку гідроциліндра, кн.;

V_подачі -швидкість переміщення поршня гідроциліндра;

?_{загальне, ц} -загальний (повний) ККД гідропривода.

де?_г-гідравлічний ККД;

?_об-об'ємний ККД;

?_м -механічний ККД.

Для гідроциліндра:

?_г = 1;

?_об = 1;

?_м = 0,92.. 0,96, приймаємо ?_м = 0,94.

· Потужність що підводиться до гідромотору, кВт:

(2)

деМкрутний момент на валу гідромотора, кН*м;

щшвидкість переміщення поршня гідроциліндра, рад/с^-1;

деnчастота обертання, об/хв;

де?_г-гідравлічний ККД;

?_об-об'ємний ККД;

?_м -механічний ККД.

Для гідроциліндра:

?_г = 1;

?_об = 0,92.. 0,96, приймаємо ?_об = 0,94;

?_м = 0,85.. 0,95, приймаємо ?_м = 0,90.

Необхідна потужність насоса, кВт:

Порівнюємо між собою значення N_ц та N_м.

(3)

При розрахунку потужності враховують можливі втрати енергії, що пов’язані із зменшенням тиску і втрат в гідросистемі коефіцієнтами запасу по зусиллю та по швидкості:

(4)

деК_У-коефіцієнт запасу по зусиллю;

К_С-коефіцієнт запасу по швидкості.

К_С = 1,1.. 1,3 приймаємо К_С = 1,2;

К_У = 1,1.. 1,2 приймаємо К_У = 1,1.

· Подача насоса, м³/с:

(5)

деР_ном-номінальний тиск у гідросистемі, мПа.

По заданому номінальному тиску і розрахованій подачі вибираємо насос НШ-67 (методичні вказівки, табл. П. 7.1), уточнюємо його частоту обертання.

(7)

деQ_н-подача насоса, л/с;

z-кількість насосів;

q_н-робочий об'єм см³;

?_об —об'ємний ККД насоса.

Розрахункова частота обертання вала насоса знаходиться в інтервалі робочих частот вказаних у його характеристиці.

Таблиця 1 Технічна характеристика насоса НШ-100−2.

2.2 Вибір розподільників та фільтра

· Гідророзподільник:

По заданному номінальному тиску і розрахованому потоку рідини.

Вибираємо гідророзподільник Р25. (М.В. 1983)

Таблиця 2 Технічна характеристика гідророзподільника Р25

· Фільтр:

Вибір фільтра проводиться по витраті рідини (подачі насоса).

Вибираємо фільтр ФС 7 — 32−40/200 (М.В, табл. П. 9.1)

Таблиця 3 Технічна характеристика фільтра ФС 7 — 32−40/200

· Втрати тиску у розподільниках і фільтрах Втрати тиску у розподільниках і фільтрах, що приведені у технічних характеристиках визначенні для номінальної витрати.

Фактичні втрати розраховуємо по формулі:

(8)

деДP_{табличне}-табличне значення втрат тиску;

Q_{табличне}-табличне значення потоку рідини;

Q_{фактичне} -фактична втрата, що проходить через розподільник або фільтр;

Приймемо ДP_{табличне} = 100 кПа

2.3 Розрахунок гідроліній Розрахунок гідроліній включає в себе: визначення діаметра труб, розрахунок труб на міцність, розрахунок втрат тиску в гідролінії.

Внутрішній діаметр труби, м:

(9)

де Q — витрата рідини;

V_Д — допустима швидкість рідини, м/с.

По вибраному діаметру трубопроводів визначають фактичну швидкість руху рідини, м/с:

(10)

Товщина стінки металевого трубопроводу:

(11)

деК — коефіцієнт запасу міцності;

[у] - допустиме напруження на розтяг труби, нМ/м².

Для сталевих труб [у] = 400. 500 МПа приймаємо [у] = 450 МПа, К = 3.

Таблиця 4

1. Всмоктувальна гідролінія:

Для всмоктувальної гідролінії швидкість руху робочої рідини не повинно перевищувати значення 1,2.. 1,5 м/с.

Приймемо V_Д = 1,4 м/с.

Вибираємо стандартний діаметр з таблиці умовних проходів (М.В, табл. П. 10,1)

d_ст1 = 50 мм = 0,05 м

Вибираємо стандартну товщину стінок сталевих труб (М.В, табл. П. 10,4) д_ст1 = 1,6 мм

2. Напірна гідролінія насоса:

Для напірного трубопроводу швидкість потоку рідини вибирають у відповідності з номінальним тиском в гідросистемі. При номінальному тиску в гідросистемі 10МПа рекомендуєме значення швидкості потоку рідини V_Д = 4,5 м/с.

d_ст2 = 25 мм = 0,025 м д_ст2 = 1 мм

3. Напірна гідролінія гідроциліндра:

d_ст3 = 10 мм = 0,01 м д_ст3 = 0,4 мм

4. Напірна гідролінія гідромотора:

d_ст4 = 25 мм = 0,025 м д_ст4 = 1 мм

5. Зливна гідролінія:

Для зливної гідролінії швидкість руху робочої рідини не повинна перевищувати значення 1,4.. 2 м/с.

Приймемо V_Д = 1,6 м/с

d_ст5 = 50 мм = 0,050 м д_ст5 = 1,6 мм

2.4 Розрахунок втрат тиску в гідросистемі

Загальні втрати тиску визначаються як сума всіх втрат в окремих елементах гідросистеми:

(12)

де, — сумарні втрати тертя по довжині трубопроводу;

— сумарні втрати тиску гідроагрегатах (розподільниках, фільтрах) — сумарні місцеві втрати тиску у вигинах трубопроводів, перехідниках, розгалуженнях.

Приймаємо

де, — фактичні втрати;

— втрати тиску в розподільнику;

= 145 + 58,52 = 203,52 кПа Якщо гідропривод включає в себе два гідродвигуна (гідроциліндр і гідромотор), які працюють паралельно сумарні втрати тиску на тертя для лінії гідроциліндра і лінії гідромотора, визначають наступними виразами:

(13)

(14)

де, — втрати тиску та тертя відповідно у першому, другому, четвертому і п’ятому трубопроводі.

Втрати тиску на тертя по довжині трубопровода, кПа:

(15)

де, лкоефіцієнт опору тертю;

l, d — довжина та діаметр ділянки труби;

сгустина рідини, кг/м³;

Vсередня швидкість руху рідини, м/с.

Коефіцієнт опору тертю при, дорівнює:

(16)

Для чисел Рейнольдса в межах коефіцієнт опору тертю дорівнює:

Для розрахунку втрати тиску потрібно знати кінематичну в’язкість і густину рідини при вказаних температурах.

Густину робочої рідини визначаємо за формулою:

де, с₊₅₀⁰— густина робочої рідини при 50⁰С, (М.В. додаток 5, ст. 33);

в_Т— коефіцієнт теплового розширення.

Значення кінематичного коефіцієнта в’язкості вибираємо з табл. 6 (М.В. стор.34). Отримані данні заносимо у таблицю 5:

Таблиця 5

· Втрати тиску для кожної гідролінії розраховуємо табличним методом:

Всмоктувальна гідролінія:

L₁ = 2,5 м; d₁ = 0.05 м; V₁ = 1,039 м/с;

Таблиця 6 Розрахунок втрат тиску на тертя в гідролінії 1

Напірна гідролінія насоса:

L₂ = 2,9 м; d₂ = 0.025 м; V₂ = 4,158 м/с;

Таблиця 7 Розрахунок втрат тиску на тертя в гідролінії 2

Напірна гідролінія гідроциліндра:

L₃ =6,4 м; d₃ = 0.01 м; V₃ = 2,91м/с;

Таблиця 8 Розрахунок втрат тиску на тертя в гідролінії 3

Напірна гідролінія гідромотора:

L₄ =5,4 м; d₄ = 0,025 м; V₄ = 4,1 6 м/с;

Таблиця 9 Розрахунок втрат тиску на тертя в гідролінії 4

Зливна гідролінія:

L₅ =8,4 м; d₅ = 0.05 м; V₅ = 1,039 м/с;

Таблиця 10 Розрахунок втрат тиску на тертя в гідролінії 5

· Втрати тиску на тертя по магістралях:

Розраховуємо втрати тиску на тертя у магістралях для гідроциліндра та гідромотора окремо. Гідроциліндр:

Гідромотор:

Отримані результати заносимо у таблицю 11:

Таблиця 11 Втрати тиску на тертя по магістралям

Таблиця 12 Загальні втрати тиску по магістралям

Згідно отриманих результатів з останньої таблиці будуємо графік залежності втрат тиску на тертя від температури.

· Графік Лінія 6%. перетинає графік втрат тиску (криву = f (t, ⁰С), отже спроектований гідропривід відповідає вимогам, представленим до нього по енергоємності.

2.5 Розрахунок ККД гідропривода Загальний ККД визначається як добуток гідравлічного, об'ємного та механічного ККД:

(19)

Загальний ККД визначається як добуток гідравлічного, об'ємного та механічного ККД:

(20)

де, — втрати тиску для оптимальної робочої температури роботи гідроприводу, що відповідає 6% Р_ном.

Механічний ККД визначається як добуток механічних ККД всіх, об'ємного та механічного ККД:

(21)

де?_м.н., ?_м.р., ?_м.д.-значення механічних ККД відповідно насоса, розподільника та гідродвигуна.

приймаємо ?_м.н = 1.

де?_{загальне.}, ?_{об'ємне} -вибираємо з технічної характеристики насоса.

Механічний ККД визначається як добуток механічних ККД всіх, об'ємного та механічного ККД:

(22)

де?_об.н., ?_об.р., ?_об.д.-значення механічних ККД відповідно насоса, розподільника та гідродвигуна.

приймаємо ?_об.р = 1;

?_об.д. = 1.

?_об.н.-вибираємо з технічної характеристики насоса.

2.6 Вибір силових гідроциліндрів Так, як робочий хід гідроциліндра відбувається при подачі рідини у поршневу порожнину, діаметр циліндра розраховуємо з умови забезпечення необхідної швидкості переміщення поршня:

(23)

деQ_ц-витрата робочої рідини що надходить до гідроциліндра;

V_П -швидкість переміщення поршня.

Знайдений діаметр округлюємо до найближчого значення нормального ряду (М.В., додаток 12, стор. 53)

D_ст. = 0,08 м = 80 мм Перевіряємо знайдений діаметр з умови збереження зусилля, що діє на шток силового циліндра:

(24)

деD-діаметр гідроциліндра, м;

УДРмаксимальні втрати тиску на тертя у межах робочого діапазону температур робочої рідини, кПа.

з_м-механічний ККД гідроциліндра.

(24)

2.7 Вибір гідромотора Для розрахунку гідромотора необхідно визначити його робочий об'єм:

Крутний момент на валу гідромотора:

(27)

де q_М-витрата робочий обом гідромотора, л;

УДРмаксимальні втрати тиску на тертя у межах робочого діапазону температур робочої рідини, кПа.

з_м-механічний ККД гідромотора З формули (27) по відомому моменту М, номінальному тиску Р_ном та УДР визначаємо робочий об'єм гідромотора:

По розрахованому значенню q_М та відомому Р_ном вибираємо гідромотор НМШ-80−1 (М.В., табл. П. 7.2., стор. 36)

· Технічна характеристика гідромотора НМШ — 80 — 1

По відомій подачі Q_M і вибраному об'єму гідромотора знаходимо частоту обертання вала гідромотора:

(28)

де Q_M-л/с;

q_М-л.

з_об.м.-об'ємний ККД гідромотора (М.В., табл. П. 7.2., стор. 36).

Розрахована частота обертання знаходиться у межах робочих частот, вказаних у характеристиках мотора.

2.8 Визначення об'єму бака робочої рідини Для розрахунку приймаємо об'єм бака:

де Q — подача насоса, л/хв.;

Номінальну ємність гідробаку вибираємо згідно ГОСТ 12 442–80:

2.9 Тепловий розрахунок гідросистеми Кількість теплоти Q, що отримує система в одиницю часу, відповідає втраченій в гідроприводі потужності і визначається за формулою (29), кДж:

(29)

де з_заг-повний ККД гідропривода;

N_н-потужність привода насоса, кВт;

К_п-коефіцієнт тривалості роботи під навантаженням.

К_п = 0,7.

Максимальна температура рідини, С⁰, що досягається через 1год. роботи після початку експлуатації гідропривода:

(30)

де t_{д. мах}-максимальна температура довкілля;

К-коефіцієнт тепловіддачі поверхонь гідроапаратів.

К = 0,04 кДж (м²с град).

F-сумарна площа тепловипромінюючих поверхонь гідроапаратів, м².

(31)

деW-ємкість бака, л;

Література

1. Васильковський М. И., Мещишена Л. Г., и др…, Методические указания к самостоятельной работе студентов по расчету объемного гидропривода. К-д. КИСХМ 1991. — 56с.

2. Додатки до курсової роботи

3. В. О. Федорець Гідроприводи та гідропневмоавтоматика. Київ, Вища школа 1995 — 463 с.