Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательноеучреждение высшего профессионального образования
Читинский государственный университет
(ЧитГУ)
Кафедра Строительных и дорожныхмашин
Курсовая работа
Чита 2006
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательноеучреждение высшего профессионального образования
Читинский государственный университет
(ЧитГУ)
Кафедра Строительных и дорожныхмашин
Пояснительная записка
к курсовой работе
Выполнил: студент группыСДМ-03
Нижегородцев А.Г.
Проверил: научныйруководитель
Чебунин А.Ф.
Чита 2006
Задание на курсовоепроектирование
Проектирование гидроприводарыхлительного оборудования
Исходные данные:
Прототип ДП-5С(Т-130)
Масса рыхлительного оборудования 1200кг
Тип разрабатываемого грунта скальный
Температурные пределы -16;+25
Реферат
Пз. – 31стр., илл. – 2, табл. – 0,библ. – 3.
Гидроцилиндр, шток, насосшестеренный, оборудование рыхлительное, клапан предохранительный,распределитель секционный, гидробак, фильтр, клапан обратный.
Целью курсовой работыявляется проектирование гидропривода рыхлительного оборудования. При выполнениикурсовой работы использовалась методическая литература. В результате выполнениякурсовой работы был спроектирован гидропривод рыхлительного оборудования набазе прототипа ДП-5С (базовый трактор Т-130).
Содержание
Введение
1. Исходные данныедля расчета гидросистемы
Расчет внешней нагрузки на выходном звене гидропривода
Обоснование уровня номинального давления в гидросистеме
Выбор рабочей жидкости
2. Расчет и выборгидрооборудования
Расчет мощности, подачи гидронасосов и их выбор
Расчет и выбор гидроцилиндров
Выбор направляющей и регулирующей гидроаппаратуры
Выбор фильтров
Расчет и выбор трубопроводов
Расчет и выбор емкости гидробака
3. Поверочный расчетгидропривода
Расчет потерь давления в гидросистеме
Расчет действительного значения КПД гидропривода
Тепловой расчет гидросистемы
Заключение
Список использованной литературы
Введение
На машинах для земляныхработ широко применяются гидравлические приводы. Они являются вторичными, таккак получают энергию от насосов, приводимых электродвигателями внутреннегосгорания. Гидравлические приводы работают при давлении от 6,3 до 31,5 МПа иболее. В качестве рабочих жидкостей в них используют масла: индустриальноеМ12А, веретенное АУ, авиационное АМГ и ВМГЗ.
Гидравлический приводобладает рядом преимуществ по сравнению с другими видами: он имеет сравнительнонебольшую массу и габариты насосов и гидромоторов, возможность получениябольших передаточных чисел, которые могут достигать 1000 и более. Небольшаяинерционность передач, обеспечивающая хорошие динамические свойства привода,увеличивает долговечность машины и позволяет включать ее и реверсироватьрабочие движения за доли секунды, что повышает производительность машины. Гидроприводобеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения рабочих органов,что дает возможность повышать коэффициент использования приводного двигателя иавтоматизировать не только отдельные операции, но и целые технологическиепроцессы.
При наличии гидроприводаулучшаются условия работы машиниста, уменьшаются затраты энергии на управлениемашиной независимо от мощности привода, повышается безопасность работы. Узлыпривода можно размещать на машине наиболее целесообразно: насос у приводногодвигателя, гидромоторы – непосредственно у исполнительных органов, элементыуправления – у пульта машиниста. Приводной двигатель, система привода,металлоконструкции и рабочие органы надежно предохраняются от перегрузок,благодаря применению предохранительных и перепускных клапанов. Кроме того, всистемах гидропривода широко применяют стандартизированные и унифицированныеузлы (насосы, гидромоторы, гидроцилиндры, гидроаппаратура), что снижаетсебестоимость гидропривода и облегчает его эксплуатацию и ремонт.
К недостаткамгидропривода относятся: снижение КПД при использовании длинных трубопроводов,потребность в специальных жидкостях для различных климатических условий,необходимость тщательного наблюдения за состоянием соединений и возможностьутечек рабочей жидкости, большая по сравнению с механическим приводом стоимостьизготовления.
1. Исходные данные для расчетагидросистемы
Расчет внешнейнагрузки на выходном звене гидропривода
На рабочее оборудованиерыхлителя действуют следующие силы: сила тяжести оборудования />, горизонтальная ивертикальная составляющие силы сопротивления копанию /> и /> соответственно, усилиеподъема на штоке гидроцилиндра />.
/>
Рисунок 1. –Схема к определению усилию подъёма рыхлительного
оборудования.
Сила тяжестирыхлительного оборудования определяется по формуле
/>,(1)
где/> – масса рыхлительного оборудования, />;
/> – ускорение свободного падения, />.
/>.
Горизонтальнаясоставляющая силы сопротивления копанию /> определяетсяпо формуле
/>,(2)
где/> – сила тяги рыхлителя,которая определяется по формуле
/>,(3)
где/> – мощность двигателя, />;
/> – КПД трансмиссии, />;
/> – скорость рыхления, />.
/>.
/>.
Вертикальная составляющаясилы сопротивления копанию /> определяетсяпо формуле:
/>,(4)
где/> (т.к. разрабатываемыйгрунт скальный).
/>.
Для определения усилия наштоке гидроцилиндра /> составим уравнениемоментов относительно точки />(см.рисунок 1)
/>;
/>;
/>(5)
/>
Знак «–» указывает на то,что в действительности направление действия усилия на штоке гидроцилиндранаправлено в другую сторону.
Обоснование уровняноминального давления в гидросистеме
Давление рабочей жидкостив гидросистеме зависит от типа насоса и назначения гидропривода (длявспомогательных операций или для привода основного оборудования) на данноймашине. Давление насоса должно быть тем больше, чем больше нагрузка илимощность приводимого в движение механизма.
Принимаем номинальноедавление в гидросистеме рыхлителя />.
Выбор рабочей жидкости
Рабочая жидкость, кромеосновной функции – передачи энергии от насоса к гидродвигателю, выполняет рядвспомогательных, но весьма важных функций: смазка трущихся поверхностейсопряженных деталей, отвод тепла и удаление продуктов износа из зон трения,предохранение деталей гидропривода от коррозии. В общем, рабочую жидкость длягидросистемы следует выбирать с учетом рекомендаций заводов-изготовителейгидрооборудования, режима работы гидропривода, климатических условийэксплуатации, соответствия вязкости жидкости номинальному давлению.
Выбираем рабочую жидкостьАУ со следующей характеристикой
ГОСТ 17479.3-85МГ-15-А
Плотность при />, />890
Вязкость, сСт
при />22
при />170
Температура вспышки, />165
Температура застывания, />–45
Температурные пределы
применения, />–30;+60
2. Расчет и выбор гидрооборудования
Расчет мощности,подачи гидронасосов и их выбор
Для определения мощностинасосной установки вначале вычисляется мощность, которую должны обеспечитьисполнительные механизмы гидропривода. Полезная мощность на штоке силового гидроцилиндранаходится по формуле
/>,(6)
где/> – усилие на штокегидроцилиндра, />;
/> – скорость перемещения штока, />;
/> – общий КПД гидроцилиндра, />.
/>
При расчете мощностинасоса, приводящего в действие гидродвигатели, учитываются возможные потеридавления и подачи в гидросистеме коэффициентами запаса по усилию и скорости
/>,(7)
где/> – коэффициент запаса поусилию;
/> – коэффициент запаса по скорости.
Меньшие значениякоэффициентов выбираются для гидроприводов, работающих в легком и среднемрежимах, а большие – в тяжелом и весьма тяжелом режимах эксплуатации. Так какрежим работы рыхлителей относится к легкому, то принимаем /> и />.
/>
Определив мощностьнасоса, рассчитывается требуемая подача насоса в гидросистему
/>,(8)
где/> – номинальное давление вгидросистеме.
/>
Выбор конкретной маркинасоса производится по рабочему объему, расчетное значение которого вычисляетсяпо формуле
/>,(9)
где/> – объемный КПД насоса;
/> – угловая скорость вала насоса.
/>
Выбираем шестеренныйнасос НШ-32 со следующими техническими данными
Рабочий объем, />32.57
Давление, МПа:
номинальное10
максимальное13.5
Частота вращения, />:
номинальная32
максимальная40
КПД:
Объемный 0.94
Механический 0.91
общий 0.83
Масса, кг 6.55
Далее рассчитываетсядействительная подача насосной установки
/>,(10)
где/> – число насосов;
/> – значение рабочего объема выбранного насоса.
/>
После этого вычисляетсяприводная мощность насосной установки
/>,(11)
где/> – коэффициент запаса;
/> – полный КПД насоса.
/>
Расчет и выборгидроцилиндров
Наибольшеераспространение в гидроприводах СДМ получили гидроцилиндры двухстороннегодействия с односторонним штоком.
Основными параметрамисиловых гидроцилиндров являются номинальное давление, внутренний диаметрцилиндра, диаметр штока и ход поршня. По этим параметрам определяютсяразвиваемое на штоке усилие, скорость перемещения поршня, требуемый расходрабочей жидкости.
Усилие, развиваемое наштоке гидроцилиндра, определяется по формулам:
а) при подаче жидкости впоршневую полость
/>,(12)
б) при подаче жидкости вштоковую полость
/>,(13)
где/> – давление жидкости всливной магистрали;
/> – диаметр внутренней полостицилиндра, м;
/> – диаметр штока, м;
/> – механический КПД гидроцилиндра.
Поскольку усилие, котороедолжен развивать гидроцилиндр в курсовой работе, определяется расчетом, тонеобходимый внутренний диаметр гидроцилиндра определяется по формуле
/>(14)
/>
Диаметр штокаопределяется из соотношения
/>(15)
/>
Ход поршня определяется всоответствии с необходимым ходом рабочего органа, а так как зуб рыхлителязаглубляется на 400мм, то примем ход поршня с запасом, то есть равным 500мм.
Рассчитанные величиныприводятся в соответствие с ГОСТ 22-1417-79:
/>
а) />
б) />
Действительные значенияскоростей поршней будут равны:
а) при выталкивании
/>,(16)
где/> – объемный КПД цилиндра.
б) при втягивании
/>(17)
/>
/>
Необходимый расходжидкости для обеспечения заданной скорости поршня:
а) при подаче жидкости впоршневую полость
/>(18)
/>
б) при подаче жидкости вштоковую полость
/>(19)
/>
Выбор направляющей ирегулирующей аппаратуры
Направляющаягидроаппаратура предназначена для изменения направления и запирания потокарабочей жидкости путем полного открытия или полного закрытия проходных каналовгидроэлементов. К ней относятся гидрораспределители, обратные клапаны,гидрозамки, гидроусилители.
Регулирующаягидроаппаратура применяется для регулирования величин давления и потока рабочейжидкости путем изменения площади проходного сечения отверстия. К ней относятсяпредохранительные, переливные, редукционные клапаны, дроссели, регуляторыпотока.
Основными параметраминаправляющей и регулирующей гидроаппаратуры являются номинальное давление />, номинальный поток /> и условный проход />.
При проектировании обычногидроаппаратура не рассчитывается, а выбирается из нормализированных аппаратови агрегатов, серийно изготовляемых специализированными заводами по основнымприведенным параметрам.
1) Распределитель секционный Р-16
Условный проход, мм16
Расход рабочей жидкости, />:
номинальный10.52
максимальный13.36
Давление на входе, МПа:
номинальное16
максимальное17
Падение давления враспределителе, МПа:
в трех секциях0.2
Допустимое давление насливе, МПа1.0
2) Клапан предохранительный У 4790.15
Расход рабочей жидкости, />:
номинальный26.7
минимальный2.7
Номинальное давление,МПа16
Условный проход, мм32
Масса, кг12
Выбор фильтров
Основными параметрамифильтров являются условный проход, номинальное давление и номинальная тонкостьфильтрации.
В гидросистемах СДМприменяются магистральные и встроенные фильтры с бумажным и проволочным(сетчатым) фильтроэлементами, обеспечивающими тонкость фильтрации 25, 40 и 63мкм. Фильтры устанавливаются, как правило, на сливной линии, магистральные –обычно перед масляным баком, а встроенные – в масляном баке.
В нашем случае этовстроенный фильтр 1.1.20-25
Условный проход, мм20
Номинальный поток при
перепаде давления 0,08МПа
и вязкости 30-40 сСт, />0.67
Номинальная тонкостьфильтрации, мкм25
Номинальное давление,МПа0,63
Максимальный допустимый
перепад давления, МПа0,35
Ресурс работыфильтроэлемента
до замены или промывки,ч200
Масса встроенногофильтра, кг8,7
Расчет и выбортрубопроводов
Для соединения элементовгидропривода, не имеющих взаимного перемещения, применяются стальные бесшовныетрубы, а для соединения гидроагрегатов, имеющих взаимное перемещение,применяются гибкие рукава, причем для низких давлений – резиновые рукава снитяными оплетками, для высоких давлений – с металлическими оплетками.
Расчет трубопроводовсостоит из гидравлического расчета и расчета на прочность. Под гидравлическимрасчетом понимается определение внутреннего диаметра трубы по формуле
/>,(20)
где/> – подача насоса;
/> – скорость потока жидкости, />.
В зависимости отназначения трубопровода, давления в гидросистеме выбирается скорость потокарабочей жидкости на основе следующих рекомендаций:
а) для всасывающеготрубопровода – />, принимаем />
/>
б) для сливноготрубопровода – />, принимаем />
/>
в) для напорноготрубопровода – />, принимаем />
/>
В дренажных трубопроводахнеобходимо обеспечить свободный слив утечек жидкости, поэтому независимо отколичества этих утечек минимальный диаметр дренажной магистрали выбирается впределах 8…10 мм.
Расчет на прочностьсостоит в определении толщины стенки металлического трубопровода по формуле
/>,(21)
где/> – допускаемое напряжениена разрыв, для стали 20 />, длямедных трубопроводов />;
/> – номинальное давление жидкости.
а) для всасывающего трубопровода
/>
б) для сливноготрубопровода
/>
в) для напорноготрубопровода
/>
Полученные значения диаметров трубопроводов согласовываются со стандартными значениями:
а) всасывающийтрубопровод
/>
б) сливной трубопровод
/>
в) напорный трубопровод
/>
Теперь посчитаемдействительные значения скорости потока рабочей жидкости во всасывающем,сливном и напорном трубопроводах в соответствии с полученными стандартнымизначениями диаметров. Для этого выразим из формулы (20) скорость />
/>(22)
а) всасывающийтрубопровод
/>
б) сливной трубопровод
/>
в) напорный трубопровод
/>
Расчет и выбор емкостигидробака
Гидробаки предназначеныдля содержания запаса, отстоя (деаэрации), фильтрации рабочей жидкости и отводатепла из гидросистемы в атмосферу. Вместимость гидробака, его форма,месторасположение на машине, некоторые конструктивные особенности оказываютсущественное влияние на работоспособность гидравлического привода.
Главным параметром бакаявляется его вместимость. От этого параметра зависят значения установившейсятемпературы рабочей жидкости и интенсивность ее нарастания при пуске машины,время выхода гидропривода на оптимальный тепловой режим, объемный КПДгидропривода и, в конечном итоге, производительность машины в целом.
Для гидросистем мобильныхмашин рекомендуется выбирать объем бака на основании следующего соотношения
/>,(23)
где/> – объем гидробака;
/> – минутная подача насосной установки.
Однако при обоснованиипринятого соотношения следует учитывать мощность, режим работы гидропривода,климатические условия эксплуатации. В результате длительного опытапроектирования и эксплуатации гидрофицированных машин выработаны следующиерекомендации выбора объема бака (в данном случае для легкого режима работы)
/>(24)
/>
После предварительногорасчета значения объема бака необходимо согласовать с нормализованным значениемпо ГОСТ 12448-80
/>
3. Проверочный расчет гидропривода
Расчет потерь давленияв гидросистеме
Расчет потерь давления вгидросистеме производится для определения эффективности спроектированногогидропривода. Потери давления в гидросистеме, обусловленные трением жидкости остенки трубопроводов и гидроагрегатов и внутренним трением жидкости, зависят отследующих факторов: длины, диаметра и формы трубопроводов, скорости течения ивязкости рабочей жидкости в трубопроводе. Для выполнения расчета потерьдавления необходимо знать гидравлическую схему соединений, внутренний диаметр идлину трубопроводов, подачу насоса, вязкость и плотность рабочей жидкости.
Суммарная величина потерьдавления в гидросистеме может быть определена как сумма потерь в отдельныхэлементах гидросистемы:
/>,(25)
где/> – суммарные путевые потеридавления на прямолинейных участках трубопроводов;
/> – суммарные местные потери;
/> – суммарные потери давления вгидроагрегатах.
Суммирование потерьдавления необходимо выполнять не на всех участках гидросистемы, имеющейнесколько исполнительных гидродвигателей, а в магистрали каждого гидродвигателяотдельно. Для этого целесообразно разбить всю магистраль на отдельные участки,в каждом из которых равны диаметры трубопровода и скорости потока жидкости.
Суммарные потери давленияпри работе гидроцилиндра (см. рисунок 2) определяются из выражения
/>,(26)
где/> – путевые и местные потерина различных участках;
/> – потери давления в распределителе ифильтре.
/>
Рисунок 2. –Гидравлическая схема соединений к расчету потерь давления.
Путевые потериопределяются по формуле
/>,(27)
где/> – коэффициент тренияжидкости о стенки трубопровода;
/> – плотность жидкости, />;
/> – длина участка трубопровода, м;
/> – внутренний диаметр трубопровода,м;
/> – скорость потока жидкости втрубопроводе, />;
Коэффициент трения /> зависит от числаРейнольдса – /> и в зависимости от режиматечения рассчитывается по формулам:
а) при ламинарном режиме />
/>(28)
б) при турбулентномрежиме />
/>(29)
В свою очередь число Рейнольдсанаходится из выражения
/>,(30)
где/> – кинематическая вязкостьрабочей жидкости, /> (при />).
а) для сливноготрубопровода
/> (ламинарный режим)
б) для напорноготрубопровода
/> (турбулентный режим)
Коэффициент трения />:
а) для сливноготрубопровода
/>
б) для напорноготрубопровода
/>
Путевые потери />:
а) для сливноготрубопровода
/>
/>
б) для напорноготрубопровода
/>
/>
Местные потери давления вгидросистеме определяются по формуле
/>,(31)
где/> – коэффициент местныхсопротивлений, который суммируется из коэффициентов отдельных местныхсопротивлений, встречающихся на пути потока жидкости.
а) для сливноготрубопровода
/>
/>
в) для напорноготрубопровода
/>
/>
Потери давления враспределителе и фильтре:
/> (из технической характеристики Р-20)
/> (определены как потери в местных сопротивлениях поформуле (31))
/>
Расчет действительного значения КПДгидропривода
Для оптимально разработаннойгидросистемы общих КПД /> находится впределах />. Общий КПД гидроприводаопределяется произведением гидравлического, механического и объемного КПД
/>(32)
Гидравлический КПДрассчитывается исходя из суммарных потерь давления в гидросистеме
/>(33)
/>
Механический КПДопределяется произведением механических КПД всех последовательно соединенныхгидроагрегатов
/>,(34)
где/> – механический КПД насоса,/>;
/> – механический КПД распределителя, />;
/>– механический КПД гидроцилиндра, />;
/>
Объемный КПД гидроприводарассчитывают из выражения
/>,(35)
где/> – объемный КПД насоса, />;
/> – объемный КПД распределителя, />;
/> – объемный КПД гидроцилиндра, />.
/>
/>
Тепловой режимгидросистемы
Тепловой режимгидросистемы выполняется с целью определения установившейся температуры рабочейжидкости гидропривода, уточнения объема гидробака и поверхности теплоотдачи, атакже выяснения необходимости применения теплообменников.
Как высокие, так и низкиетемпературы рабочей жидкости оказывают нежелательное влияние наработоспособность и производительность гидрофицированных машин. Поэтому весьмаважно знать граничные температуры рабочей жидкости. Минимальная температурарабочей жидкости определяется температурой воздуха той климатической зоны, вкоторой эксплуатируется машина. Максимальная температура жидкости зависит отконструктивных особенностей гидросистемы, режима эксплуатации гидропривода итемпературы окружающего воздуха.
Повышение температурырабочей жидкости прежде всего связано с внутренним трением масла, особенно придросселировании жидкости. Все потери мощности в гидросистеме в конечном итогепревращаются в тепло, которое аккумулируется в жидкости.
Количество тепла,получаемое гидросистемой в единицу времени, соответствует потерянной вгидроприводе мощности и определяется по формуле
/>,(36)
где/> – коэффициентэквивалентности;
/> – затраченная мощность приводанасосов;
/> – коэффициент продолжительностиработы гидропривода под нагрузкой.
/>
Максимальная установившаясятемпература рабочей жидкости определяется по формуле
/>,(37)
где/> – коэффициент теплоотдачи;
/> – суммарная площадь теплоизлучаемыхповерхностей гидропривода, />;
/> – максимальная температураокружающего воздуха.
Площадь теплоизлучаемыхповерхностей гидропривода находится из соотношения
/>,(38)
где/> – площадь поверхности гидробака,/>.
/>,(39)
где/> – емкость гидробака.
/>
/>
/>
Заключение
Дальнейшее развитиетехнического уровня машин невозможно без совершенствования гидравлическогопривода, который в настоящее время является неотъемлемой составной частьюпрактически каждой транспортной или технологической машины.
Накопленный опыт гидромашиностроителейпри проектировании и изготовлении гидроустройств, опыт эксплуатациисуществующих гидроприводов позволяет говорить о путях дальнейшегосовершенствования как элементной базы, так и гидропривода в целом.
Во-первых, это разработкаболее совершенных насосов, гидродвигателей, гидроаппаратов с целью улучшениятехнических характеристик и повышения уровня их надежности.
Во-вторых, повышениеуровня технологичности гидроустройств с целью снижения трудоемкости,материалоемкости, энергоемкости в изготовлении, техническом обслуживании иремонте.
Немаловажной задачей посовершенствованию гидропривода является разработка новых сортов рабочихжидкостей с необходимыми качественными характеристиками.
Разумеется, чтоприведенный перечень путей совершенствования гидропривода не являетсяисчерпывающим, однако несомненно, что решение вышеприведенных задач позволитзначительно поднять качественный уровень машин, оснащенных гидравлическимиприводами.
Список использованнойлитературы
Чебунин А.Ф. Расчет объемного гидропривода, ч1: Метод. указЧита: ЧитПИ,1991.-33с.
Чебунин А.Ф. Расчет объемного гидропривода, ч2: Метод. указЧита: ЧитПИ,1992.-27с.
Чебунин А.Ф. Гидропривод транспортных и технологическихмашин: Учеб. пособие. – Чита: ЧитГУ,2003.-132с.