В современном народном хозяйстве и промышленности широко используется большой парк гидравлических машин, работа которых состоит во взаимном преобразовании энергии жидкости и механической энергии, в транспортировке жидкости и в передаче усилий с помощью жидкости внутри машин, механизмов и между различными устройствами. К гидравлическим машинам относятся насосы, гидравлические двигатели (гидравлические турбины и гидромоторы) и гидропередачи (гидроприводы).
Причиной широкого использования гидравлических машин является ряд преимуществ перед редукторным или канатно-блочным приводом. Этими преимуществами являются:
Плавность и равномерность движения рабочих органов.
Возможность получения больших передаточных отношений.
Возможность бесступенчатого регулирования скоростей в широком диапазоне.
Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотное.
Малый момент инерции, обеспечивающий быстрое реверсирование.
Четкость стандартизации и унификации основных элементов.
Небольшой вес и малые габариты гидрооборудования.
Высокий КПД.
Практическая мгновенность передачи командных импульсов.
Простота предохранительных устройств и их высокая надежность.
Легкость управления и регулирования.
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.
Наиболее эффективно применение гидропривода поступательного движения в автоматизированных многоцелевых станках, автоматизированных линиях, гибких производственных системах и устройствах автоматизации технологических процессов в нефтяной и газовой промышленности.
Немаловажную роль играет осуществление контроля за надежностью и безопасностью технологических процессов в транспортных системах (на примере автотранспорта).
Рис. 1. Принципиальная схема гидропривода
1 – гидроцилиндр; 2 – дроссель; 3 – распределитель потока; 4 – предохранительный клапан; 5 – насос; 6 – фильтр; 7 – гидробак
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.
Реверсирование насосом осуществить нельзя – необходима установка гидрораспределителя, т. к. разряжение во всасывающей линии насоса способствует возникновению кавитации и подсосу воздуха в систему.
В закрытой схеме рабочая жидкость после гидродвигателя направляется непосредственно в насос. Таким образом, основной контур циркуляции не связан с атмосферой, что защищает систему от загрязнений.
Наличие повышенного давления в низконапорной магистрали уменьшает возможность возникновения кавитации. В этой схеме реверсирование легко осуществляется регулируемым насосом. К недостаткам закрытой схемы следует отнести сложность охлаждения и необходимость установки дополнительного оборудования – системы подпитки – для компенсации утечки жидкости через неплотности во внешнюю среду.
В качестве исполнительных механизмов (гидродвигателей) применяются силовые цилиндры, служащие для осуществления возвратно-поступательных прямолинейных и поворотных перемещений исполнительных механизмов. Гидроцилиндры подразделяются на поршневые, плунжерные мембранные и сильфонные.
Гидроцилиндры являются объемными гидромашинами и предназначены для преобразования энергии потока рабочей жидкости механическую энергию выходного звена. Гидроцилиндры работают при высоких давлениях (до 32 МПа), их изготовляют одностороннего и двухстороннего действия, с односторонним и двухсторонним штоком и телескопические. Классификация гидроцилиндров приведена в таблице 1.
Дроссели и регуляторы расхода предназначены для регулирования расхода рабочей жидкости в гидросистеме или на отдельных ее участках и связанного с этим регулирования скорости движения выходного звена гидродвигателя. Дроссели выполняются по двум принципиальным схемам.
Рис. 1.2. Линейный дроссель:
ии гидросистем возникает необходимость изменения направления потока рабочей жидкости на отдельных ее участках с целью изменения направления движения исполнительных механизмов машины, требуется обеспечивать нужную последовательность включения в работу этих механизмов, производить разгрузку насоса и гидросистемы от давления и т.п.
Рис. 1.3. Принципиальные схемы нелинейных дросселей:
а – игольчатого; б – комбинированного; в – пробкового щелевого; г – пробкового эксцентричного; д – пластинчатого пакетного; е – пластинчатого; ж – условное обозначение регулируемого дросселя;
1 – корпус; 2 – игла; 3 – диафрагма; 4 – пробка; 5 – пластина; 6 – втулка
Эти и некоторые другие функции могут выполняться специальными гидроаппаратами – направляющими гидрораспределителями. При изготовлении гидрораспределителей в качестве конструктивных материалов применяют стальное литье, модифицированный чугун, высоко- и низкоуглеродистые марки сталей, бронзу. Для защиты отдельных элементов распределителей от абразивного износа, поверхности скольжения цементируют, азотируют и т.п.
Размеры и масса гидрораспределителей зависят от расхода жидкости через них, с увеличением которого они увеличиваются.
По способу присоединения к гидросистеме гидрораспределители выпускают в трех исполнениях: резьбового, фланцевого и стыкового присоединения. Выбор способа присоединения зависит от назначения гидрораспределителя и расхода через него рабочей жидкости.
По конструкции запорно-регулирующего элемента гидрораспределители подразделяются следующим образом:
Золотниковые (запорно-регулирующим элементом является золотник цилиндрической или плоской формы). В золотниковых гидрораспределителях изменение направления потока рабочей жидкости осуществляется путем осевого смещения запорно-регулирующего элемента.
Крановые (запорно-регулирующим элементом служит кран). В этих гидрораспределителях изменение направления потока рабочей жидкости достигается поворотом пробки крана, имеющей плоскую, цилиндрическую, коническую или сферическую форму.
Клапанные (запорно-регулирующим элементом является клапан). В клапанных распределителях изменение направления потока рабочей жидкости осуществляется путем последовательного открытия и закрытия рабочих проходных сечений клапанами (шариковыми, тарельчатыми, конусными и т.д.) различной конструкции.
По числу фиксированных положений золотника гидрораспределители подразделяются: на двухпозиционные, трехпозиционные и многопозиционные.
По управлению гидрораспределители подразделяются на гидроаппараты с ручным, электромагнитным, гидравлическим или электрогидравлическим управлением. Крановые гидрораспределители используются чаще всего в качестве вспомогательных в золотниковых распределителях с гидравлическим управлением.
Рис. 1.4. Примеры обозначения распределителей потока
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.
Фильтры
Предназначены для очистки рабочей жидкости.
Гидробаки предназначены для питания гидропривода рабочей жидкостью. Кроме того через гидробаки осуществляется теплообмен между рабочей жидкостью и окружающим пространством, в нем происходит выделение из рабочей жидкости воздуха, пеногашение и оседание механических и других примесей.
Гидроклапаном называется гидроаппарат, в котором величина открытия рабочего проходного сечения изменяется от воздействия проходящего через него потока рабочей жидкости.
По характеру воздействия на запорно-регулирующий элемент гидроклапаны могут быть прямого и непрямого действия. В гидроклапанах прямого действия величина открытия рабочего проходного сечения изменяется в результате непосредственного воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент. В гидроклапанах непрямого действия поток сначала воздействует на вспомогательный запорно-регулирующий элемент, перемещение которого вызывает изменение положения основного запорно-регулирующего элемента.магистрали сверх допустимого предела.
Предохранительный клапан защищает гидропривод от возможного повышения давления напорной магистрали сверх допустимого напора.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОЦИЛИНДРА
Основными параметрами поршневого гидроцилиндра являются: диаметры поршня D и штока d, рабочее давление P, и ход поршня S.
Рассмотрим поршневой гидроцилиндр с односторонним штоком (рис. 2.1). По основным параметрам можно определить следующие зависимости:
площадь поршня в поршневой полости 1 и в штоковой полости 2 соответственно
и
усилие, развиваемое штоком гидроцилиндра при его выдвижении и втягивании соответственно
где kтр = 0,9…0,98 – коэффициент, учитывающий потери на трение;
скорости перемещения поршня
и
При рабочем ходе поршня, когда поршневая (рабочая) полость соединена с напорной линией, а штоковая – со сливной, развиваемое усилие составляет
Рис. 2.2. Основные и расчетные параметры гидроцилиндра
Примем допущение, что давление в сливной линии, как при рабочем, так и при обратном ходе поршня, составляет 2 % от давления рабочей жидкости в напорной линии.
Тогда эффективное давление, действующее на поршень и обеспечивающее заданное усилие рабочего хода, составляет
|
Исходные данные
|
|
|
F (H)
|
P (Па)
|
L, (м)
|
v1 (м2/с)
|
|
|
1,4·105
|
9,8·106
|
16
|
1,4·10-4
|
|
|
Требуемая для его обеспечения величина диаметра поршня составляет (м)
Основные параметры гидроцилиндров определяются в соответствии с ГОСТ 6540-68 для диаметров поршня. Установлен следующий ряд (в скобках приведены значения дополнительного ряда, мм):
10; 12; 16; 20; 25; 32; (36); 40 (45); 50; (56); 63; (70); 80; (90); 100; (110); 125; (140); 160; (180); 200; (220) и т.д.
Полученное по результатам расчета значение диаметра поршня D = 0,02 м = 20 мм.
а само усилие можно определить из уравнения
Расход жидкости на гидроцилиндр составит
Производим расчет развиваемого усилия рабочего хода:
Диаметр штока рассчитаем по формуле:
При обратном ходе поршня, когда поршневая полость гидроцилиндра соединяется со сливной магистралью, а штоковая – с напорной, усилие на штоке составляет:
Эффективная мощность, кВТ, развиваемая гидроцилиндром при рабочем ходе составляет
Найдем площадь поршня в рабочей полости цилиндра:
Найдем площадь поршня в штоковой полости гидроцилиндра
РАСЧЕТ ГИДРОСЕТИ
Гидросети служат для передачи рабочей жидкости между гидроагрегатами, они связывают вое устройства гидропривода в единую систему (схему). К гидросети относятся трубопроводы и каналы в корпусах гидравлических устройств.
При расчете гидролинии определяются ее диаметр и гидравлические потери при движении жидкости;
Определение диаметра трубопровода
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;
-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. Принимаем для данной гидросистемы один диаметр для всех линий и одну скорость движения жидкости х=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 л – коэффициент трения;
l – длина гидролинии, м;
d – диаметр гидролинии, м;
о – коэффициент местного сопротивления;
с – плотность жидкости, кг/м3;
щ – скорость движения жидкости, м/с;
Для определения коэффициента трения необходимо вначале вычислить критерий Рейнольдса
где н – коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости, м/с2.
При ламинарном режиме:
Режим движения жидкости – ламинарный (Re < 2320).
Тогда
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАСОСНОГО АГРЕГАТА
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;
– 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 зо 0,98
Полный КПД зН 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 зН=0,82.
Тогда:
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:
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В данной работе проведен расчет гидропривод поступательного движения с дроссельным регулированием скорости. Выполнен расчет основных параметров насосного агрегата и КПД гидропривода.
Проведен анализ принципиальной схемы и синтез динамических характеристик модели привода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Башта Т. М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.: “Машиностроение”, 1972. 320 с.
2. Гейер В. Г., Дулин В. С., Заря А. Н. Гидравлика и гидропривод: Учеб для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1991.
3. Башта Т. М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. Издание 4-е, переработанное и дополненное. Изд-во «Машиностроение», Москва 1967 г.
4. Лепешкин А. В., Михайлин А. А., Шейпак А. А. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебник, ч. 2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. / под ред. А. А. Шейпака. — М.: МГИУ, 2003. — 352 с.
