Проектування і розрахунок системи гідропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Вихідні дані до роботи

схема - №6 (рисунок 1.1);

робоча рідина - масло індустріальне 50;

густина робочої рідини - с = 910 (кг/м³);

кінематична в'язкість - 50 ();

зусилля штоку - 75 (кН);

робочий тиск - 6,3 (МПа);

швидкість руху поршня - 4,5 (м/хв) = 0,075 (м/с);

Для розрахунків будемо використовувати:

еквівалентна шорсткість гідроліній _Е = 0,06 (мм);

механічний К.К.Д. гідроциліндра - _мц=0,90.

Рисунок 1.1 «Принципова схема гідропривода».

Опишемо принцип дії гідропривода:

Робоча рідина (масло) насосом (Н) із бака (Б) через розподільник (Р) подається в робочу порожнину гідроциліндра (Ц). Шток гідроциліндра навантажений силою F. Надлишок рідини, що нагнітається насосом, відводиться в бак (Б) через дросель (ДР). Відпрацьована рідина з порожнини гідроциліндра (Ц) через розподільник (Р) і фільтр (Ф) зливається в бак (Б). Гідропривод має запобіжний клапан (КЗ), який призначений для запобігання руйнуванню гідравлічної системи при підвищенні навантаження.

Визначимо довжини гідроліній:

Довжину напірної лінії визначимо за формулою:

; (1.1)

де N - сума чисел варіанту. N = 5 + 6 = 11.

(м);

Довжину зливної лінії визначимо за формулою:

; (1.2)

(м);

Довжину всмоктувальної лінії визначимо за формулою:

; (1.3)

(м).

2. Розрахунок і вибір параметрів гідроустаткування

2.1 Вибір робочої рідини

Вибір робочої рідини виконується залежно від температурних умов, режиму роботи гідропривода і його робочого тиску.

Нормальна температура робочої рідини складає 50 - 60 °С. При такій температурі і тиску 2,5 - 10 МПа рекомендується застосовувати робочі рідини з кінематичною в'язкістю н=. Вибрана робоча рідина відповідає даним умовам. Робочу рідину вибирають за даними таблиці додатку А [1, с. 19].

2.2 Вибір робочого тиску

Значення робочого тиску (МПа) вибирається з ряду нормативних, установлених ГОСТ 12455 - 80 даних [1, с.8].

Для умов роботи заданого гідропривода найбільш прийнятими є значення від 4 до 20 МПа. Вибраний робочий тиск входить у вказані межі.

2.3 Розрахунок розмірів гідроциліндра

Площину поршня гідроциліндра визначають за вибраним тиском і розрахунковим навантаженням із співвідношенням:

; (2.1)

де S_е - ефективна площа поршня гідроциліндра, м ²;

F - зусилля на штоку, Н;

р - робочий тиск, Па;

- механічний К.К.Д. гідроциліндра;

- гідравлічний К.К.Д. гідроапаратури. Він визначає втрати тиску в трубопроводах і гідроапаратурі, що входить до складу привода.

Попередньо можна взяти в межах = 0,8 - 0,9.

Приймаємо середнє значення = 0,85.

(м ²);

За отриманою ефективною площею гідроциліндра визначають діаметр поршня залежно від схеми гідропривода за формулою (2.2) [1, с. 9]:

; (2.2)

де D - діаметр поршня гідроциліндра, м;

(м);

Одержане значення діаметра поршня округляють згідно з ГОСТ 12447 - 80 відповідно до ряду розмірних діаметрів [1, с.10]: Приймаємо найближче значення Dф = 140 (мм).

Діаметр штока визначають із співвідношення [1, с. 10]:

; (2.3)

де б - відношення діаметра штока до діаметра поршня (б = d/D). Причому б вибирають залежно від величини робочого тиску [1, с. 9]: при р < 10 (МПа), б = 0,7.

(м);

Значення штока округляють до нормативного [1, с. 10]: приймаємо найближче значення dф=100 (мм).

За вибраними стандартними значеннями діаметрів поршня D і

штока d уточнюють ефективні площі напірної Seф і зливної Seзлф порожнин гідро циліндра:

; (2.3)

(м 2);

; (2.4)

(м 2);

2.4 Розрахунок необхідної витрати рідини

Необхідну витрату рідини Qном (м3/с), що надходить в гідроциліндр , знаходять за формулою (2.5) [1, с. 10]:

; (2.4)

де V_П -швидкість руху поршня, (м/с);

Sеф - ефективна площа поршня гідроциліндра, (м2).

(м 3/с) = 69,237( л/хв);

Необхідна подача насоса буде дорівнювати:

 ; (2.5)

де К - коєфіцієнт , К=1,5 [1, с. 10].

(л/хв);

Необхідну витрату рідини Qном(зл) (м3/с), що виходить із зливної порожнини гідроциліндра, знаходять за формулою:

; (2.6)

(м3/с) = 33,912 (л/хв).

2.5 Вибір гідророзподільника

Тип і марку гідророзподільника вибираємо за робочим тиском р=6,3 МПа і максимальною втратою через розподільник Qн = 103,856 (л/хв). Вибираємо по [2, с.78, табл. 4.4] гідророзподільник типу В 16 (Q_НОМ=100 л/хв, р=0,31МПа).

р_НОМ - номінальна сума втрат тиску. Ці втрати визначаємо за графіком залежності повних втрат тиску в розподільниках від розходу масла [2, с.77, рис. 4.3].

2.6 Вибір дроселя

Типорозмір дроселя вибираємо за робочим тиском Р=6,3 МПа і витратою через дросель Q_ДР=0,5 Qном = = 34,619( л/хв). Вибираємо за [2, с.146, табл. 5.13] дросель типу Г55 - 23А (Q_НОМ = 40 л/хв, Р_НОМ = 0,2 МПа).

Для даних умов можливо вибрати два типа дроселів Г55 моделей 13А та 23А. Вибір моделі Г55 - 23А обґрунтовуємо тим, що ця модель має менший розхід масла при повністю закритому дроселі приблизно на 30%; також ця модель має меншу масу, тому вона і менш громіздка (більш технологічна у експлуатації).

2.7 Вибір фільтра

Фільтр і його типорозмір вибирають за витратою робочої рідини в гідролінії Q_н = 1,5 Q_ном = 103,856 л/хв і необхідною для даного гідропривода тонкістю фільтрації. За [2, с. 296, табл. 8,2] знаходимо, що для регульованого пластинчастого насосу на тиск до 6,3 (МПа) номінальна тонкість фільтрації становить 25 (мкм). За [2, с. 300, табл. 8,6] вибираємо фільтр зливний типу ФС (ДРном=0,1 МПа, Qном=100 л/хв).

гідропривод насос тиск

3. Гідравлічний розрахунок системи привода

3.1 Гідравлічний розрахунок трубопроводів

Розрахунок трубопроводів виконується по ділянках і полягає у визначенні їх діаметрів. Діаметри трубопроводів визначають, виходячи із забезпечення допустимої швидкості течії V_ДОП, м/с, що повинні бути в таких межах:

- всмоктувальні гідролінії: 0,5 - 1,5; приймаємо середнє значення V_ДОП=1м/с;

- зливні гідролінії: 1,4 - 2,0; приймаємо середнє значення V_ДОП=1,7 м/с;

- напірні гідролінії: 3,0 - 5,0; приймаємо середнє значення V_ДОП=4 м/с.

Діаметри трубопроводів визначаємо за формулою

; (3.1)

де Q - витрата рідини на даній ділянці гідромережі, (м³/с).

Отримані діаметри округлюють до значення по ГОСТ 6540-68.

Для всмоктувальної гідролінії Q_ВС = Q_Н = 1,5Q_Ном :

=0,046957 (м);

Приймаємо найближче значення d_вс=0,05(м).

Для напірної гідролінії Q_Н=Q_НОМ :

=0,0191 (м);

Приймаємо найближче значення d_н=0,020 (м).

Для зливної гідролінії потрібно розрахувати дві ділянки:

Ділянка від штокової порожнини до трійника Q_ЗЛ1 = Q_НОМ(зл) :

=0,0206 (м);

Приймаємо найближче значення d_зл1=0,020(м).

Ділянка від трійника до виходу в бак (Б) Q_ЗЛ2 = 0,5 Q_НОМ + Q_{НОМ(зл )}:

=0,0293 (м);

Приймаємо найближче значення d_зл2=0,032(м).

Визначимо фактичні швидкісті при робочій подачі у гідро лініях.

Фактична швидкість при робочій подачі у всмоктувальній гідро лінії визначається за формулою:

, (3.2)

=0,882 (м/с);

Фактична швидкість у напірній гідролінії визначається за формулою:

; (3.3)

=3,675 (м/с);

Фактична швидкість у зливній гідролінії визначається за формулою:

; (3.4)

На ділянці від штокової порожнини до трійника:

=1,8 (м/с);

На ділянці від трійника до виходу в бак (Б):

=1,421 (м/с);

3.2 Визначення втрат тиску в гідросистемі

Втрати тиску визначають на всмоктувальній, напірній та зливній гідролініях. Величина втрат на кожній ділянці визначається за формулою:

; (3.5)

де Р_ТР - втрати на тертя по довжині трубопроводу, (МПа);

Р_М - втрати в місцевих опорах, з урахуванням втрат в гідроапаратах, (МПа).

Втрати тиску Р_ТР на тертя по довжині трубопроводу обчислюють за формулою Дарсі-Вейсбаха:

; (3.6)

де - коефіцієнт гідравлічного тертя по довжині;

- густина рідини, (кг/м);

l і d - довжина і діаметр трубопроводу, (м);

Коефіцієнт гідравлічного тертя (коефіцієнт Дарсі) визначаємо, виходячи з режиму руху рідини і відносної шорсткості труби _Е/d. Режими руху рідини визначають за числом Рейнольда:

; (3.7)

де - кінематичний коефіцієнт в'язкості, (м/с). =50 .

При числі R_e ? R_{e кр}=2320 - режим ламінарний, при R_e 2320 - режим турбулентний.

3.2.1 Визначення втрат напору на тертя на кожній лінії

Визначаємо втрати напору на тертя на кожній лінії:

1).всмоктувальна лінія:

=882;

Тому - режим ламінарний.

2).напірна лінія:

=1470;

Тому - режим ламінарний.

3).зливна лінія:

На ділянці від штокової порожнини до трійника:

=720;

Тому - режим ламінарний.

На ділянці від трійника до виходу в бак (Б):

=909;

Тому - режим ламінарний.

Так як рух ламінарний на всіх ділянках трубопроводу, коефіцієнт гідравлічного тертя визначають за формулою:

; (3.8)

Відповідно:

;

;

;

;

За формулою (3.6) знаходимо:

=314 (Па);

=40742 (Па);

Враховуючи розташування гідроапаратів та гідроліній на схемі приймаю довжину ділянки зливної гідролінії від трійника до виходу в бак (Б) lЗЛ2 = 0,72 (м); тоді ділянка lЗЛ1 = lЗЛ - lЗЛ2 = 2,99 - 0, 72 = 2,27.

=17401 (Па);

=1716 (Па);

Сумарні втрати тиску на тертя

Р_ТР=Р +Р +Р ; (3.9)

де Р - втрати тиску на тертя на всмоктувальній лінії;

Р - втрати тиску на тертя на напірній лінії;

Р - втрати тиску на тертя на зливній лінії.

Р_ТР = 314 + 40742 + 17401 + 1716 = 60173 (Па);

3.2.2 Місцеві гідравлічні втрати

Місцеві гідравлічні втрати Р_М визначаємо за формулою Вейсбаха:

; (3.10)

де - сумарний коефіцієнт місцевого опору.

До місцевих опорів заданої схеми гідропривода відносять: раптове розширення потоку (вхід у циліндр, вихід до баку), раптове звуження потоку (вихід з циліндра, вхід до всмоктувальної гідролінії з баку), плавні повороти гідроліній, штуцерні приєднання трубопроводів, трійники, а також втрати в гідроапаратах: розподільнику, дроселі та фільтрі.

Значення коефіцієнтів місцевих втрат визначаємо згідно [1, с20]:

_ВХ = 0,5 - вхід у трубу;

_ШТ = 0,6 - штуцерні приєднання трубопроводів;

_ВИХ = 1 - вихід із труби;

_{ПО В}= 0,21 - плавний поворот труби;

_ТР = 1,05 - трійник (приймаємо середнє значення з меж _ТР = 0,9 - 1,2).

Вирахуємо значення коефіцієнтів місцевих опорів на кожній з гідроліній:

всмоктувальна лінія:

_ВС=_ВХ+_ШТ;

_ВС=0,5+0,6=1,1;

= 389 (Па);

напірна лінія:

_Н=4+2_ТР+_ВИХ;

_Н = 40,6 + 21,05 + 1,0 = 5,5;

=33798 (Па);

зливна лінія:

На ділянці від штокової порожнини до трійника:

_ЗЛ1 = 4_ПОВ + _ВИХ + 3_ШТ;

_ЗЛ1 = 40,21+1+ 30,6 = 3,64;

 = 5366 (Па);

На ділянці від трійника до виходу в бак (Б):

_ЗЛ2 = 2_ШТп + _ТР + _ВИХ;

_ЗЛ2 = 20,6 +1,05 + 0,5 = 2,75;

= 2527 (Па);

Сумарні місцеві втрати:

Р_М=Р +Р +Р ; (3.11)

де Р - місцеві втрати на всмоктувальній лінії;

Р - місцеві втрати на напірній лінії;

Р - місцеві втрати на зливній лінії.

Р_М = 389 + 33798 + 5366 + 2527 = 42080 (Па);

3.3.3 Втрати тиску в гідроапаратах

Втрати тиску в гідроапаратах визначимо за формулами:

; (3.12)

де Qф - фактична витрата;

Qном - номінальна подача.

1)втрати на гідророзподільнику:

; (3.12)

; (3.13)

; (3.14)

Вище наведені формули (3.12; 3.13; 3.14) можна використовувати при умові, що відомі (вибрані) номінальні значення зміни тиску.

Оскільки зміна тиску була визначена за допомогою графіку (дивись пункт 2.5), то її можна вважати фактичною (реальною), тобто це значення було отримано за допомогою проведення дослідів і занесено до відповідної літератури. Тому розраховуємо втрати тиску як половину отриманого табличного значення, не враховуючи значення зміни тиску на зливній лінії ( бо воно дуже мале і за графіком не має змоги чітко його визначити).

=155000(Па);

2) втрати на фільтрі:

; (3.15)

= 45965 (Па);

3) втрати в дроселі:

; (3.16)

=149809 (Па);

Сумарні місцеві втрати тиску в гідроапаратах:

Р_М=Р +Р +Р ; (3.17)

Р_М = 155000 + 45965 + 149809 = 350774 (Па);

Втрати тиску в гідросистемі:

Р = 60173 + 42080 + 350774 = 453027 (Па).

4. Вибір параметрів насоса і гідроклапана тиску

4.1 Вибір параметрів насоса

Необхідний тиск насоса обчислюємо за рівнянням:

; (4.1)

= 5869206 (Па), ~ 5,9 (МПа).

Тип насоса вибираємо відповідно до значень необхідної подачі Q_H=103,856 (л/хв) і 5,9 (МПа) за [2, с.30, табл.2.5].

Вибираємо пластинчастий регульований насос Г12 - 55АМ (Q_НОМ=105,6 л/хв., Р_НОМ=6,3 МПа, _Н=0,8).

Можливо також було обрати інші схожі насоси: ДГ12 - 55АМ, 3ДГ12 - 55АМ та 2Г12 - 55АМ.

Вибраний насос кращій тим, що для нього не висувають додаткові характеристики, які б звужували обсяг його застосування. Окрім того, вибраний насос найлегший з усіх перелічених, що технологічно і конструктивно вигідно.

4.2 Вибір гідроклапана тиску

Гідроклапан тиску вибираємо за значенням необхідного тиску 5,9 (МПа) і подачі вибраного насоса Q_НОМ =105,6 (л/хв) за [2, с.124, табл.5.3].

Вибираємо гідроклапан тиску моделі Г54 - 34М (Q_НОМ = 125 л/хв).

Можливо також було обрати інші схожі клапани тиску моделей: ПГ54 - 34М, Г66 - 34М, ПГ 66 - 34М.

Вибраний клапан тиску має меншу утічку робочої рідини. Такаж ця модель має найменшу масу серед інших моделей, що технологічно і конструктивно вигідно.

5. Розрахунок потужності і ККД гідропривода

Ефективну (корисну) потужність N_n (Вт), гідроциліндра визначаємо за формулою:

N_n = F V_n ; (5.1)

N_n=75000 0,075 = 5652 (Вт);

Повна потужність N (Вт), гідропривода дорівнює потужності, спожитої насосом:

; (5.2)

де Q_H - подача вибраного насоса, (м³/с);

_Н - повний к.к.д. вибраного насоса.

=12912 (Вт);

Повний ККД гідропривода:

; (5.3)

= 0,438.

Для подібних гідроприводів це невеликий ККД. Тому для підвищення ККД гідроприводу змінимо деякі конструктивні елементи, які дозволять підвищити цей параметр, тобто зробити гідропривід більш ефективним.

Змінимо гідророзподільник в даній системі (В 16) на гідророзподільник типу РХ 20 (Q_НОМ=160 л/хв, р_НОМ=0,12МПа). Цей гідророзполільник має більший діаметр умовного проходу, працює при більших номінальних тисках, але має більшу вагу.

Розрахуємо втрати у заміненому гідророзподільнику за формулою:

=60000(Па);

Змінимо дросель в даній системі (Г55 - 23А) на дросель типу ПГ77 - 14 (Q_НОМ = 80 л/хв, Р_НОМ = 0,25 МПа). Змінений дросель має більшу номінальну витрату масла але і трохи більший перепад тиску. Також цей дросель має практично в два рази меншу вагу, що доцільно і вигідно використати.

Розрахуємо втрати у заміненому дроселі за формулою 3.16:

=46815 (Па);

Розрахуємо сумарні місцеві втрати тиску в замінених гідроапаратах за формулою 3.17:

Р_М = 60000 + 45965 + 46815 = 152780 (Па);

Таким чином, у результаті зміни деяких елементів конструкції отримуємо сумарні місцеві втрати тиску в гідроапаратах меншу майже вдвічі.

Розрахуємо втрати тиску в гідросистемі із зміненими елементами:

Р = 60173 + 42080 + 152780 = 255033 (Па).

Таким чином, у результаті зміни деяких елементів конструкції отримуємо втрати тиску в новій гідросистемі зменшилися майже вдвічі.

Збільшити ККД гідропривода можна зміною насосу. Із доступної літератури можна змінити даний насос (пластинчатий регульований марки Г12 - 55АМ) на нерегульований пластинчатий насос марки Г12 - 25АМ (Q_НОМ=110,4 л/хв., Р_НОМ=6,3 МПа, _Н=0,85). Змінений насос має більше ККД, трохи більшу номінальну витраті масла та значно меншу вагу, що дуже доцільно. Інші параметри приблизно однакові.

Перерахуємо необхідний тиск насоса за формулою 4.1:

= 5671212 (Па), ~ 5,7 (МПа).

При зміні насоса зміниться і фільтр у гідроприводі, але параметри фільтра майже не зміняться, тому їх враховувати не будемо. Фільтр зміниться через зміну тонкості фільтрації. Замінимо даний фільтр (ФС ) ни фільтр типу ФС (ДРном=0,1 МПа, Qном=100 л/хв), з номінальною тонкістю фільтрації 40 (мкм).

Гідроклапан тиску залишимо без змін.

Розрахуємо потужність, споживану заміненим насосом за формулою 5.2:

=12276 (Вт);

Повний ККД зміненого гідропривода обчислимо за формулою 5.3:

= 0,46.

Таким чином зміною деяких гідроапаратів ми досягли збільшення ККД на 2,2%.

Виходячи з цього можна зробити висновок, що заміна гідроапаратів не принесла очікуваних змін, тобто ККД збільшився не суттєво. Але із розрахунків змінених гідроапаратів було б корисно залишити змінений насос (бо він має більший ККД та меншу вагу), разом з ним і змінений фільтр; змінений дросель (бо він має більші номінальні втрати та суттєво меншу вагу). Ці змінені гідроапарати будуть більш прийнятні у конструкторському (система матиме меншу вагу, тому буде більше практична), технологічному (підвищиться загальний ККД гідропривода, а тому і ефективність роботи) та у економічному планах. Гідророзподільник можна залишити первісним (з конструкторської точки зору, бо він має суттєво меншу вагу), хоча ефективність цього апарата менша ніж вибрана, але на загальному ККД це майже ніяк не відобразиться.

Підведемо підсумки:

В ході даної роботи була спроектована і розрахована система гідропривода (згідно завдання). Для цієї схеми були вибрані наступні гідроапарати:

- дросель (регульований)моделі Г55 - 23А;

- фільтр (зливний) моделі ФС ;

- гідро клапан тиску (клапан запобіжний) Г54 - 34М;

- насос пластинчастий (нерегульований, нереверсивний) Г12 - 25АМ;

- гідророзподільник моделі В 16.

Зобразимо схему розподільника:



Рисунок 5.1 «Схема гідророзподільника»

a, o, b - позиції розподільника;

А, В - отвори приєднання апарату до споживача;

Т - вихідний отвор основного потоку, повертаю чого у бак, зливна лінія;

Р - вхідний отвор основного потоку в апарат, напірна лінія.

Зобразимо кінцеву схему гідропривода:

Рисунок 5.2 «Кінцева схема гідропривода»

Размещено на Allbest.ru