Федеральноеагентство по образованию
Государственноеобразовательное учреждение
высшегопрофессионального образования
Ярославскийгосударственный технический университет
Кафедра «ПАХТ»Курсовойпроект защищен
с оценкой ______________
Руководитель
М.В.Куликов___________
«___»_____________ 2009
Курсова работа
подисциплине «Гидравлическое оборудование»
Разработка и расчет гидропривода
Нормоконтролер: Работувыполнил:
Леонтьев В.К. студентгруппы АТ-43
«___»__________2009 ________Д.Е.Юдицкий
«__»_________2009
2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Разработка принципиальнойсхемы гидропривода
1.1 Выборспособа регулирования
1.2.Выборсхемы циркуляции жидкости
2. Расчет параметров иподбор элементов гидропривода
2.1 Выборноминального рабочего давления
2.2 Расчетразмеров и подбор гидродвигателя. Выбор типа гидродвигателя и определениедавления, реализуемого на нем
2.3 Расчет иподбор гидроцилиндра
2.4 Выборгидроаппаратуры и вспомогательных устройств
2.5 Выборрабочей жидкости
2.6 Расчетгидролиний
2.7Определение параметров и подбор насоса
2.8 Общий КПДгидропривода
Список используемойлитературы
Введение
Объемным гидроприводом называется совокупность устройств –гидромашин объемного действия и гидроаппаратов, предназначенных для передачимеханической энергии и преобразования движения посредством жидкости.
К достоинствам гидропривода относят:
— возможность создания больших передаточных отношений ибесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена и усилий вшироком диапазоне;
— высокая удельная мощность (вес гидропривода, приходящийся на 1кВт передаваемой мощности составляет не более 2/>3 Н);
— малая инерционность, что обеспечивает быстрый пуск, реверс,останов (момент инерции подвижных элементов гидропривода в 5..6 раз меньше, чему электромашин той же мощности);
— возможность просто и надежно предохранять элементы гидроприводаи рабочей машины от перегрузок.
Недостатки гидропривода:
— потери энергии значительно выше, чем в электроприводе(гидропривод имеет более низкий КПД);
— влияние условий эксплуатации (температуры) на характеристикигидропривода;
— постепенное снижение КПД в процессе эксплуатации — за счет ростаутечек жидкости по мере износа деталей привода.
Объемный гидропривод широко используется в строительных и дорожныхмашинах, станках, транспортных и сельскохозяйственных машинах и в другихотраслях техники.
1. РА3РАБОТКА ПРИНЦИПИЛЬНОЙ СХЕМЫ ГИДРОПРИВОДА
1.1 Выбор способа регулирования
гидроприводгидродвигатель насос
Дроссельное регyлирование скорости движения выходного звенагидродвигателя осуществляется за счет ограничения подачи жидкости кгидродвигателю путем введения в гидролинию дополнительного, в данном случае — регулируемого, гидравлического сопротивления — дросселя. При этом избытокрабочей жидкости, подаваемой насосом, через переливной клапан поступаетнепосредственно в сливную линию (минуя гидродвигатель). При выборе способарегулировки скорости следует учесть следующие особенности дроссельного регулирования.
Оборудование гидропривода в этом случае в целом дешевле, чем приобъемном регулировании: устанавливаются более простые, а именно –нерегулируемые, насос и (или) гидродвигатель.
К.П.Д. гидропривода существенно ниже, чем при объемном регулировании:в самом принципе заложены объемные и гидравлические потери.
В результате гидравлических потерь при дросселировании жидкостьнагревается, что, при большой передаваемой мощности и ограниченноститеплоотдающих поверхностей, потребует установки теплообменников(холодильников).
По указанным выше причинам передаваемая мощность при этом способерегулирования ограничивается (примерно до 3 кВт — при длительном и до 5 кВт — при кратковременном режиме работы),
Скорость движения выходного звено определяется не тольковоздействием дросселя на поток жидкости, но и нагрузкой на выходном звенегидродвигателя: с увеличением нагрузки скорость уменьшается. Поэтому, еслинагрузка существенно меняется, а скорость должна оставаться постоянной,необходимо предусмотреть установку регулятора скорости устройства, сочетающегодроссель и редукционный клапан.
В гидроприводе дроссель может быть установлен на входе вгидродвигатель, на выходе из него или на ответвлении – параллельно сгидродвигателем.
В первом случае регулирование дросселем возможно лишь приотрицательной нагрузке, то есть тогда, когда направление действия нагрузки несовпадает с направлением движения выходного звена. Кроме того, приположительной нагрузке (при совпадении указанных направлений) возможен разрывпотока в напорной полости гидродвигателя и падение груза — следствие отсутствияощутимого сопротивления в сливной линии. При установке дросселя на входежидкость поступает в гидродвигатель нагретой, что ухудшает условия работыпоследнего.
При установке дросселя на выходе регулирование возможно при любомнаправлении действия нагрузки. Преимуществом этого варианта перед первымявляется и то, что в гидродвигатель жидкость поступает менее нагретой: нагревее в дросселе происходит после гидродвигателя. Нагретая жидкость сливается вгидробак, где охлаждается.
При параллельном подключении дросселя регулирование, как и впервом варианте возможно лишь при отрицательной нагрузке. Точностьрегулирования скорости и ее стабильность при изменении нагрузки ниже, чем впервых двух случаях. Преимущество этого варианта – наименьший нагрев жидкости.Это связано с тем, что дросселируется лишь часть потока жидкости.
Объемное регулирование осуществляется за счет изменения рабочегообъема насоса или гидродвигателя, или насоса и гидродвигателя вместе.
Отличительные особенности этого способ следующие. Более высокийК.П.Д. (до 0.65/>0,75), чем при дроссельномрегулировании. 3начительно меньший нагрев рабочей жидкости. Нет необходимостиустанавливать гидрораспределители: реверсирование выполняется регулируемымнасосом, причем этот процесс идет более плавно; чем при реверсированиигидрораспредeлителем. 3начительно более широкий диапазон регулировании скорости.
Недостаток схем с объемным регулированием – необходимостьустановки более сложного и дорогого оборудования, а именно — насоса, и привращательном движении – гидродвигателя.
Этот способ целесообрзно исползовать в гидроприводах средней ибольшой мощности, так как именно в этих случаях экономия энергии будет наиболееощутима (за счет повышения К.П.Д.).
Как следует из вышеизложенного, одним из важнейших ипервоочередных вопросов, который надо решить при выборе способа регулирования,является оценка мощности, передаваемой гидроприводом. Вопрос решается наосновании исходных данных, с учетом заданного характера движения выходногозвена гидропривода.
Мощность, реализуемая гидродвигателем при поступательном движении,составит
/>
Где F – усилие на рабочем органе (на штоке), по заданию F=12000 Н;
u – скорость движения выходного звена, по заданию u=0.03 м/с;
/>
Из выше сказанного следует, что при Nдв=0,36 кВт, надо выбратьдроссельное регулирование, т.к. установка получается малой мощности.
1.2Выбор схемы циркуляции жидкости
При решении этого вопроса надо учесть следующие обстоятельства. Воткрытой схеме всасывающая линия насоса и сливная – гидродвигателя разомкнутымежду собой. Они сообщаются с гидробаком, давление на поверхности жидкости вкотором – атмосферное. Наличие гидробака, содержащего запас жидкости,обеспечивает лучшие условия для отвода тепла из системы. Эта схема позволяетпитать одним насосом несколько гидродвигателей. В целиком, она проще закрытой.Однако, реверсирование насосом в этом случае осуществить нельзя – необходимаустановка гидрораспределителя. Разряжение во всасывающей линии насосаспособствует возникновению кавитации и подсосу воздуха в систему.
В закрытой схеме рабочая жидкость после гидродвигателянаправляется непосредственно в насос. Таким образом основной контур циркуляциине связан с атмосферой, что защищает систему от загрязнений, например, приработе в запыленной среде. Кроме того наличие повышенного давления внизконапорной магистрали уменьшает возможность возникновения кавитации. В этойсхеме реверсирование легко осуществляется регулируемым насосом. К недостаткамзакрытой схемы следует отнести сложность охлаждения и необходимость установкидополнительного оборудования – системы подпитки – для компенсации утечкижидкости через неплотности во внешнюю среду.
Из-за сложности охлаждения и необходимости установкидополнительного оборудования, выбираю открытую схему циркуляции жидкости.
Схема данногогидропривода представлена на рисунке 1.
/>
Рисунок 1.1-Насос; 2-Гидроцилиндр; 3-Гидрораспределитель; 4-Переливнойклапан; 5-Фильтр; 6-Бак; 7-Дроссель;
2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТPОВ И ПОДБОР ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА
2.1 Выбор номинального рабочего давления
Давление в гидросистеме зависит от типа насоса и назначенияданного гидропривода. Давление насоса должно быть тем больше, чем большенагрузка или мощность приводимого в движение механизма. Малые давления приводятк возрастанию габаритов и веса, но способствуют плавной и устойчивой работегидропривода; большие давления снижают вес, но усложняют конструкцию иэксплуатацию гидросистем, уменьшают долговечность гидрооборудования.
Чем выше давление, тем выше требования к качеству (класс точности,чистота обработки, материал) сопрягаемых деталей, к жесткости конструкции вцелом. При давлениях свыше 20-25 МПа в жидкости могут возникать упругиеколебания, вызывающие гидравлические удары в системе, вибрацию подвижныхдеталей, усложняется уплотнение подвижных и неподвижных соединений.
Поэтому из стандартного ряда назначаем давление Рн=10 МПа.
2.2 Расчет размеров и подбор гидродвигателя. Выбор типагидродвигателя и определениедавления, реализуемого на нем
Тип гидродвигателя (гидроцилиндр, поворотный гидродвигатель илигидромотор) определяется в соответствии с заданным характером движения выходногозвена. От параметров гидродвигателя – номинального давления /> и номинального расхода />в конечномитоге зависят аналогичные параметры насоса.
По заданию вид движения выходного звена –возвратно-поступательное, значит тип гидродвигателя – гидроцилиндр.
Ориентировочное давление в рабочей полости гидродвигателя
/>
где /> - давление, развиваемое насосом,соответствует номинальному рабочему давлению принятому ранее; Рн=10 МПа;
/> - гидравлический К.П.Д. системы.
Предварительноего можно принять в пределах 0,7-0,8. Принимаем />=0.75.
/>
Для открытойсхемы реализуемое гидродвигалем давление составит
/>
2.3Расчет и подбор гидроцилиндра
Гидроцилиндры могут быть одностороннего действия, когда возвратноедвижение поршня происходит под действием груза или пружины и двухстороннего,_когда движение в обоих направлениях осуществляется под действием рабочейжидкости. Во втором случае гидроцилиндры могут иметь односторонний шток, когдаскорость возвратного движения не регламентируется, и двусторонний, когдаскорость и усилия 2 обоих направлениях должны быть одинаковыми. Указанныеобстоятельства должна быть учтены при расчете диаметра поршня. Так какгидроцилиндра с двусторонним штоком, из-за сложности изготовления и увеличениягабаритов машины, применяются сравнительно редко, то выбираем гидроцилиндродностороннего действия.
Рассчитываем диаметр поршня
/>
где /> - механический К.П.Д.гидроцилиндра, ориентировочное значение его 0.9
/>
По вычисленным значениям Рдв и Dc учетом заданного ходапоршня S выбираем типоразмер гидроцилиндра [4, стр 359] 4009-4635010.
Техническая характеристика: D=70 мм; Рн=10 МПа; S=140 мм.
Уточненное давление в рабочей полости гидроцилиндра Рдв:
/>
Расход жидкости на гидроцилиндр составит
/>
2.4Выбор гидроаппаратуры и вспомогательных устройств
Гидроаппаратура служит для изменения параметров потока жидкости(давления, расхода, направления движения) или для поддержания их на заданноеуровне. К ней относятся: гидродроссели, гидроклапаны различного назначения,парораспределитель.
При выборе гидроаппаратуры следует исходить из ее местоположенияна разработанной принципиальной схеме.
По исходными параметрами для поиска типоразмера гидроаппаратаявляются номинальное давление в системе РН и номинальный расход Q принимаемый здесь порассчитанному расходу для гидродвигателя Qдв.
Гидрораспределители по конструкции могут быть крановые изолотниковые (весьма редко — клапанные). Крановые гидрораспределителииспользуются для давлений в системе не выше 10 МПа из-за значительныхстатических усилий, прижимающих пробку к корпусу и затрудняющих ее поворот.Наиболее широко распространены гидрораспределители золотникового типа. По числупозиций золотника они подразделяются на двух- трex- и четырехпозиционные.Двухпозиционные используются обычно длягидроцилиндров одностороннегодействия, Трехпозиционные имеет кроме нейтрального два рабочих положения, прикоторых напорная линия связывается с одной или другой полостью гидроцилиндраили с одним из двух каналов гидромотора, в зависимости от требуемогонаправления перемещения выходного звена. В четырехпозиционных, помимоуказанных, имеется так называемое плавающие положение, когда напорная линия иобе полости гидроцилиндра связаны с гидробаком. Жидкость при этом можетперетекать из одной полости гидроцилиндра в другую.
Для данного гидроцилиндра выбираем трехпозиционный золотникреверсивный с электрогидравлическим управлением. Выбираем типоразмер золотника[4]: Г63-13
Характеристика золотника Г63-13:
Номинальный расход масла — 0,58 дм3/с;
Номинальное давление — 20 МПа;
Потеря давления при номинальном расходе, не более — 0,3 МПа;
Утечки через зазоры золотника при номинальном давлении — 0,005дм3/с;
При выборе конструкции гидроклапана следует учитывать егофункциональное назначение в разрабатываемом гидроприводе: предохранительный,переливной, обратный, редукционный. В данной используется два клапана:переливной и предохранительный.
Выбираем по каталогу клапаны [4]:
— предохранительные и переливные – БГ52-13
Характеристика клапана БГ52-13:
Номинальное давление 5…20 МПа;
Номинальный расход 0,58х10-3 м3/с;
Минимальный рекомендуемый расход 0,08х10-3 м3/с;
Перепад давления на клапане 0,5 МПа;
Утечка масла через клапан -
В качестве отделителей твердых частиц используют фильтры исепараторы. Качество очистки определяется размером задерживаемых частиц: грубая- до 100 мкм, нормальная — до 10 мкм, тонкая — до 5 мкм, особо тонкая — до 1мкм. Так как в исходных данных работы размер отделяемых частиц не оговорен, топринимаем нормальную степень очистки (размер частиц до 10 мкм).
Параметрами для подбора типоразмера фильтра являются: наименьшийразмер задержанных частиц, рабочее давление и пропускная способность (порасходу рабочей жидкости).
В данной гидросистеме фильтр расположен на линии слива. Давлениетам незначительное. Поэтому по каталогу выбираем фильтр магнитно-сетчатыйсдвоенный ФМС-12 [4]. Фильтры такого типа предназначены для очистки от примесейминеральных масел вязкостью до 600 мм2/с.
Характеристика фильтра ФМС-12:
Наименьший размер задерживаемых частиц 5…10 мкм;
Наибольшее рабочее давление 0,6 МПа;
Количество магнитов 6;
Диаметр магнитов 55 мм;
Диаметр фильтрующего сетчатого элемента 50 мм;
Количество фильтрующих элементов 16;
Вес фильтра 4.65 кг;
2.5Выбор рабочей жидкости
В объемном гидроприводе рабочая жидкость служит в качественосителя энергии, смазки, а также является охлаждающей средой (отводит тепло изсистемы). В соответствии с назначением к ней предъявляются ряд требований,которым наиболее удовлетворяют минеральные масла и синтетические (силиконовые)жидкости. При выборе марки рабочей жидкости необходима заданная рабочаятемпература. По заданию t=40 оС.
Подобранный гидроцилиндр работает на минеральном масле вязкостью18…60 сСт (мм2/с) при температуре 10 – 50 оС. Рекомендовано использовать маслоиндустриальное 20 и масло индустриальное 30.
Выбираем масло индустриальное 20 ГОСТ 1707-51. Вязкость 20 сСт приt=50 оС, плотность 890кг/м3.
2.6Расчет гидролиний
Гидролинии служат для передачи рабочей жидкости междугидроагрегатами, они связывают вое устройства гидропривода в единую систему(схему). К гидролиниям относятся трубопроводы и каналы в корпусахгидравлических устройств.
При расчете гидролинии определяются ее диаметр и гидравлическиепотери при движении жидкости;
Определение диаметра трубопровода
Значение диаметра трубопровода необходимо для подбора трубгидролинии, выбора гидроаппаратуры и вспомогательного оборудования, расчетагидравлического сопротивления гидролинии.
Расчет проводится по формуле
/>
где Q — расход жидкости м3/с.В данном расчете его можно принятьравным Qдв (см, п. 4.2.);
/>-средняя скорость движенияжидкости в трубопроводе, м/с.
Величина скорости принимается по рекомендациям, полученным наосновании экономических соображений: с увеличением /> увеличиваются гидравлическиепотери, но уменьшается расход материала на изготовление трубопровода, снижаетсяего масса. При давлениях до 5-6 МПа и большой длине гидролинии, когдагидравлическое сопротивление может существенно повлиять на К П Д системы,рекомендуемая скорость 3-4 м/с, при давлениях свыше 10 МПа и малой длинегидролинии, скорость может быть увеличена до 5-6 м/с, во всасывающей линиинасоса она не должна превышать 1,5 м/с, а в сливной линии — 2 м/с.
Принимаем для данной гидросистемы один диаметр для всех линий иодну скорость движения жидкости υ=3 м/с.
Тогда:
/>
По результатам расчета подбираем промышленную трубу по ГОСТ 8734-75:10х1,5 (dвн=7мм);
Уточненная скорость движения жидкости:
/>
/>
Определение гидравлических потерь в гидролинии
В этом расчете учитывают потери по длине и на местныхсопротивлениях, используя принцип сложения потерь напора
/>
где /> - коэффициент трения;
l — длина гидролинии, м;
d — диаметр гидролинии, м;
/> - коэффициент местного сопротивления;
/> — плотность жидкости, кг/м3;
/> - скорость движения жидкости, м/с;
Для определения коэффициента трения необходимо вначале вычислитькритерий Рейнольдса
/>
где /> — коэффициент кинематическойвязкости рабочей жидкости, м/с2.
/>
При ламинарном режиме:
/>
Тогда:
/>
Режим движения жидкости — ламинарный (Re
Таблица1 – Местные гидравлические сопротивленияТип сопротивления Количество Коэффициент местного сопротивления ξ
— отвод под углом 90°
— расширение на входе в гидроцилиндр
— расширение на входе в гидрораспределитель
— расширение на входе в фильтр
— расширение на входе в дроссель
— тройник прямоугольный для транзитного потока
6
1
1
1
1
3
0,15
1
1
1
1
0,15
Тогда
/>
2.7Определение параметров и подбор насоса
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 ипреодоление гидравлических сопротивлений при передаче жит — кости. При расчетепотребного давления указанные величины суммируется
/>
где Рдв — давление на входе в гидродвигатель, Рдв= 3,47МПа;
/> - суммарные потери давления в системе,МПа причем
/>
где /> - гидравлические потери вгидролиниях, МПа (см., п.4.2);
/> — суммарные потери вгидроагрегатах (дросселе, гидрораспределителей, фильтрах и т.п.), МПa.
Эти потери принимаются по справочным данным при выборесоответствующих гидроаппаратов и вспомогательных устройств.
Тогда:
/>=0,3+0,5+0,5+0,5=1,8 МПа;
/>
/>
Для определения производительности насоса необходимо сложитьрасход жидкости на гидродвигатель Qдв и утечки жидкости через неплотности вгидроагрегатах Qут, тоесть
/>
Утечки через неплотности принимаются по справочным данным привыборе соответствующей гидроаппаратуры (гидродросселя, гидрораспределителя,гидроклапанов и т.д.).
/>
По рассчитанным значениям РН и ОН подбираетсятипоразмер насоса:
Аксиально-поршневой насос типа IID №0,5
Техническая характеристика
Номинальное давление 10 МПа;
Максимальнаяпроизводительность 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 ηо 0,98
Полный КПД ηН 0,82
Необходимая частота вращения вала насоса
/>
где qH — рабочий объем насоса, м3;
/> - объемный КПД.
Тогда:
/>
Мощность, потребляемая насосом (мощность на валу), вычисляется поформуле
/>
где /> - полный К.П.Д. насоса, потехнической характеристике ηН=0,82.
Тогда:
/>
2.8 ОбщийКПД гидропривода
Этот параметр характеризует потери энергии (гидравлические,объемные и механические) при ее передаче в объемном гидроприводе. Он определяетсяотношением мощности, реализуемой гидродвигателем, к мощности, потребляемойнасосом
/>
Тогда:
/>
ЛИТЕРАТУРА
1. Гидравлика,гидравлические машины и гидравлические приводы./ Под ред. Т.М.Башты.- М.:Машиностроение, 1970.
2. Башта Т.М.Машиностроительная гидравлика: Справочное пособие. — М.; Машиностроение, 1975.
3. Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т.,Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. — Минск; Вышэйшая школа, 1976.
4. Гидравлическоеоборудование: Каталог-справочник. Т.1 и 2. — М.: ВНИИгидропривод, 1967.
5. Васильченко В.А, БерковичФ.М. Гидравлический привод строительных и дорожных машин. — М.: Стройиздат,1978.
6. Идельчик И.Е.Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.; Росэнергоиздат, 1975.