Разработка гидравлической схемы, описание её работы. Расчет параметров гидроцилиндра. Определение расходов жидкости в гидросистеме, проходных сечений трубопроводов. Выбор гидроаппаратуры управления системой. Определение потерь, выбор типа насоса.
Аннотация к работе
Из насоса Н по линии нагнетания через напорный фильтр Ф1, ?-распределитель Р2 (включена правая позиция), гидрозамок ГЗ1 и через 2/2-распределитель Р1 (холостой ход, включена правая позиция) или регулятор потока РП1 (рабочий ход) рабочая жидкость поступает в поршневую полость гидроцилиндра ГЦ1. В связи с этим нарастает давление в штоковой полости гидроцилиндра ГЦ1 и оттуда рабочая жидкость по линии слива через ?-распределитель Р2 (включена правая позиция) и сливной фильтр Ф2 поступает в сливной бак. В линии нагнетания для аккумулирования накопления энергии рабочей жидкости под давлением служит гидроаккумулятор ГА, а 2/2-распределитель Р4 в свою очередь служит для разгрузки гидроаккумулятора от давления, на которое настроено реле давления РД4. Реле давления РД1-РД7 дополнительно контролируют давление в линии всасывания, нагнетания, слива и в гидроаппаратуре.
Введение
Гидропривод - это совокупность источника энергии, устройств для преобразования и передачи этой энергии по средствам жидкости к рабочим органам машины.
Гидропривод можно разделить на две части - управляющую и силовую.
Силовая часть - это часть, реализующая энергетические процессы.
Управляющая часть - это часть, предназначенная для формирования, обработки и передачи информационных потоков.
Достоинства гидропривода: компактность;
возможность бесступенчатого регулирования скорости, момента и силы;
возможность развить большое усилие при относительно малом объеме двигателя;
автоматическое реверсирование передач;
высокое быстродействие и надежное предохранение от перегрузок.
Недостатки гидропривода: загрязнение рабочей жидкости;
утечки рабочей жидкости;
жесткие требования к изготовлению элементов гидропривода;
взрыво- и пожароопасность в случае применения жидкости на нефтяной основе.
При правильном конструировании, изготовлении и эксплуатации гидроприводов их недостатки могут быть сведены к минимуму.
Применение гидроприводов в технике позволяет упростить кинематику, снизить металлоемкость, повысить точность, надежность и уровень автоматизации.
Разработка гидравлической схемы. Описание работы гидравлической схемы
Из гидробака по линии всасывания через обратный клапан КО2 рабочая жидкость поступает в нерегулируемый насос Н. Из насоса Н по линии нагнетания через напорный фильтр Ф1, ?-распределитель Р2 (включена правая позиция), гидрозамок ГЗ1 и через 2/2-распределитель Р1 (холостой ход, включена правая позиция) или регулятор потока РП1 (рабочий ход) рабочая жидкость поступает в поршневую полость гидроцилиндра ГЦ1. Тем самым приводя в движение поршень. Шток выдвигается. В связи с этим нарастает давление в штоковой полости гидроцилиндра ГЦ1 и оттуда рабочая жидкость по линии слива через ?-распределитель Р2 (включена правая позиция) и сливной фильтр Ф2 поступает в сливной бак.
Для фиксации положения штока гидроцилиндра ГЦ1 в определенном положении предусмотрен гидрозамок ГЗ1. Клапан предохранительный КП защищает систему от избыточного давления. Обратный клапан КОЗ исключает слив жидкости из гидролинии при отсутствии подачи от насоса Н. Давление в линии нагнетания и сливной линии контролируется манометром М, подключенным через ?-распределитель Р3. В линии нагнетания для аккумулирования накопления энергии рабочей жидкости под давлением служит гидроаккумулятор ГА, а 2/2-распределитель Р4 в свою очередь служит для разгрузки гидроаккумулятора от давления, на которое настроено реле давления РД4.
В насосной установке также предусмотрены фильтры Ф1-Ф3, очищающие рабочую жидкость и располагающиеся в линии всасывания, нагнетания и слива. Масло, сливающееся из гидросистемы, поступает в радиатор ТО для охлаждения. Байпасные клапаны КО1 и КОЧ защищают от перегрузки гидроаппаратуру. Реле давления РД1-РД7 дополнительно контролируют давление в линии всасывания, нагнетания, слива и в гидроаппаратуре. Температура и уровень масла в баке контролируются датчиками ДТ и ДУ. для фильтрации жидкости в баке и вентиляции бака служит воздушный фильтр ФВ.
Найденное значение D2 округляется до ближайшего нормального, выбираемого из ряда по нормали. Принимаем D2 = 32 мм.
Рис. 1 - Определение диаметров поршня и штока
Сила трения Т для резинотканевых уплотнителей из шевронных манжет поршня определяется по формуле: Т1 =? * D1 *h *n *?, гдеh - высота манжеты, h = 5 мм;
n - число манжет, n = 4 шт;
? - Напряжение силы трения, ? = 0,2 МПА.
Т1 = 3,14 * 63 * 5 * 4 * 0,2 =791 (Н).
Сила трения Т для резинотканевых уплотнителей из шевронных манжет штока определяется по формуле: Т2 =? * D2 *h *n *?, гдеh - высота манжеты, h = 4 мм;
n - число манжет, n = 3 шт;
? - Напряжение силы трения, ? = 0,2 МПА.
Т2 = 3,14 * 32 * 3 * 4 * 0,2 =241 (Н).
Рабочая площадь поршня S1 рассчитывается по формуле: S1 = ;
S1 = = 3116 (мм2)
Рабочая площадь штока S2 рассчитывается по формуле: S2 = ;
S1 = = 804 (мм2)
Давление жидкости в поршневой полости Р1 рассчитывают по формуле: P1 = ;
Рис. 2 - Силы, действующие на гидроцилиндр
Р2 = = , где?Р0зол и ?Р0рег - потери давления соответственно в реверсивном золотнике и регулирующем гидроаппарате при номинальном расходе по паспортным данным этих аппаратов. ?Р0зол = 0,2 МПА, ?Р0рег = 0,2 МПА.
Т1и Т2 - силы трения соответственно в уплотнении поршня и штока;
S1 и S2 - рабочие площади соответственно поршня и штока.
Р2 = 0,2 0,2 = 0,4 МПА.
Р1 = = 3,2 (МПА)
Толщину стенки поршня ? рассчитывают по формуле: ? = , где = 40 МПА - допустимое напряжение для высокосортного чугуна. ? = = 2,5 (мм).
Критическая нагрузка на шток гидроцилиндра Fkp рассчитывается по формуле: Fkp = F * n, гдеn - коэффициент запаса, n = 2.
Fkp = 8000 * 2 = 16000 (Н).
Длину продольного изгиба lпр рассчитывают по формуле: lпр = кпр * h, гдекпр - коэффициент приведения зависит от конструкции крепления, кпр = 1. h - длина гидроцилиндра при максимальном прогибе, h = l1 2l l2, гдеl1, l2 = 100 200 мм;
l - длина хода, l = 360 мм. h = 100 2 * 360 100 = 920 (мм). lпр = 1 * 920 = 920 (мм).
Зная критическую силу можно определить момент инерции по формуле: J = , где Е - модуль упругости, Е = 2,1 * 1011 Па;
J = = 687 (м4)
Диаметр штока рассчитывают по формуле: d = ? D2, d = = 0,019 (м) = 19 (мм) ? 32 (мм).
Выбранный диаметр больше проверочного, значит удовлетворяет ранее принятому значению диаметра штока.
Определение расходов жидкости в гидросистеме
Расчетный расход жидкости Q подаваемый в гидроцилиндр, рассчитывают по формуле: Qxx = , где?об - объемный КПД гидроцилиндра, ?об = 0,99;
v - скорость холостого хода, V = 4200 мм/мин.
Qxx = = 13 (л/мин).
= = , = = = (10 л/мин).
Qpx = , гдеv - скорость рабочего хода, V = 500 мм/мин.
Qpx = = 1,6 (л/мин).
= = , = = = 1,2 (л/мин).
= , = = 17 (л/мин).
Полученные данные сведем в таблицу: Режим Поршень Шток м3/с л/мин м3/с л/мин
Холостой ход 0,013 13 0,01 10
Рабочий ход 0,0016 1,6 0,0012 1,2
Быстрый отвод 0,017 17 - -
Определение проходных сечений трубопроводов а) Диаметр трубопровода на линии нагнетания dн рассчитывается по формуле: dн = , ГДЕVН - регламентируемая скорость потока жидкости, Vн = 4 м/с;
dн = = 6,43 (мм).
Принимаем диаметр трубопровода на линии нагнетания dн = 8 мм. б) На линии слива диаметр трубопровода dc рассчитывают по формуле: dc =
ГДЕVС - регламентируемая скорость потока жидкости, Vc = 2 м/с;
dc = = 8,98 (мм).
Принимаем диаметр трубопровода на линии слива dc = 10 мм. в) На линии всасывания диаметр dв принимается равным dc, т. е. dв = 10 мм.
Для соединения гидрооборудования используются стальные бесшовные холоднодеформированные трубы по ГОСТ 8734-75.
Расчет на прочность гидролинии нагнетания
Перепад давления ?Рдин в момент переключения золотника рассчитывают по формуле: ?Рдин = ? * с * V, гдес - скорость распространения ударной волны, с = 1320 м/с;
V - скорость движения жидкости по трубопроводу, V = 4 м/с;
? - плотность жидкости (принимаем масло ИГП-30).
Выбираем рабочую жидкость из справочника: Марка ИГП ГОСТ ТУ 38 101413-78
Класс вязкости по ISO 3448 46
Группа по ISO 6743/4-1981 НМ
Вязкость при 50ОС v50, мм2/с 28 - 31
КОН 0,6 - 1
Температура вспышки твсп, ОС 200
Температура замерзания тз, ОС -15
Плотность ?, кг/м3 885
?Рдин = 885 * 1320 * 4 = 4,7 (МПА).
Максимальное давление Рмах в гидролинии нагнетания в период гидроудара рассчитывается по формуле:
Рмах = Р1 ?Рдин
Рмах = 3,2 4,7 = 7,9 (МПА).
Напряжение в стенке трубы ? рассчитывают по формуле: ? = ? [?р], гдеd - диаметр условного прохода, d = 8 мм;
Для выбора гидроаппаратуры воспользуемся принципиальной гидросхемой.
Линия всасывания: Клапан обратный типа Г51-32
Q0 = 32 л /мин.; Dy = 10 мм; ?Р0 = 0,25 МПА.
Фильтр приемного типа ФВСМ - 32-80/0,25
Q0 = 40 л /мин.; Dy = 32 мм; ?Р0 = 0,007 МПА.
Линия нагнетания: Клапан обратный типа Г51-31
Q0 = 16 л /мин.; Dy = 8 мм; ?Р0 = 0,25 МПА.
Фильтр напорный по ГОСТ 1602-80
Q0= 25 л /мин.; Dy = 12 мм; ?Р0 = 0,09 МПА.
Распределитель золотниковый типа РХ10
Q0 = 32 л /мин.; Dy = 10 мм; ?Р0 = 0,05 МПА.
Распределитель золотниковый типа В10
Q0 = 15 л /мин.; Dy = 10 мм; ?Р0 = 0,06 МПА.
Гидрозамок односторонний типа 3КУ12/320
Q0 = 40 л /мин.; Dy = 12 мм; ?Р0 = 0,25 МПА.
Регулятор расход типа МПГ55-22
Q0 = 25 л /мин.; Dy = 10 мм; ?Р0 = 0,2 МПА.
Линия слива: Клапан обратный типа Г51-32
Q0 = 32 л /мин.; Dy = 10 мм; ?Р0 = 0,25 МПА.
Фильтр сливной типа ФС
Q0 = 25 л /мин.; Dy = 20 мм; ?Р0 = 0,1 МПА.
Распределитель золотниковый типа РХ10
Q0 = 32 л /мин.; Dy = 10 мм; ?Р0 = 0,05 МПА.
Определение гидравлических потерь
Линия всасывания: Режим течения жидкости рассчитывается по формуле: Re = , , = = 0,17 м/с, где? - кинематическая вязкость, ? = 30*10-6 мм2/с, (см. выбор рабочей жидкости из справочника, п.2.5.)
Re = = 57 < 2300.
Следовательно, режим течения жидкости - ламинарный.
Гидравлические потери в гидролинии всасывания ?Рвс рассчитывают по формуле: ?Рвс = ? ? ?
Потеря давления ? по длине гидролинии всасывания рассчитывают по формуле: ? = * * , где lвс - длина гидролинии всасывания, lвс = 1 м. ? = = = 0,095
? = 0,095 * * = 0,017 (МПА).
Потери давления в местных сопротивлениях ? рассчитывают по формуле: ? = (0,2 0,3) * ? , ? = 0,3 * 0,017 = 0,0051 (МПА).
Потеря давления в гидроаппаратуре: ? = ?
? = ? * 2,
? =0,007 * 2 = 0,0004 (МПА).
?Рвс = 0,017 -0,0051 0,0004 = 0,0225 (МПА).
Линия нагнетания: Режим течения жидкости рассчитывается по формуле: Re = , , = = 0,26 м/с, где? - кинематическая вязкость, ? = 30*10-6 мм2/с.
Re = = 86 < 2300.
Следовательно, режим течения жидкости - ламинарный.
Гидравлические потери в гидролинии нагнетангия ?Рн рассчитывают по формуле: ?Рн = ? ? ?
Потеря давления ? по длине гидролинии нагнетания рассчитывают по формуле: ? = * * , где lн - длина гидролинии нагнетания, lн = 2 м.
? = = = 0,006
? = 0,006 * * = 0,11 (МПА).
Потери давления в местных сопротивлениях ? рассчитывают по формуле: ? = (0,2 0,3) * ? , ? = 0,2 * 0,11 = 0,022 (МПА).
Потеря давления в гидроаппаратуре: ? = ? ? ? ? ?
? = ? * 2 = 0,25 * 2 = 0,17 (МПА).
? = ? * 2 = 0,09 * 2 = 0,02 (МПА).
? = ? * 2 = 0,05 * 2 = 0,008 (МПА).
? = ? * 2 = 0,25 * 2 = 0,03 (МПА).
? = ? * 2 = 0,06 * 2 = 0,05 (МПА).
? = 0,17 0,02 0,008 0,03 0,05 = 0,278 (МПА)
?Рн = 0,11 0,022 0,278 = 0,41 (МПА).
Линия слива: Режим течения жидкости рассчитывается по формуле: Re = , ,
Следовательно, режим течения жидкости - ламинарный.
Гидравлические потери в гидролинии слива ?Рс рассчитывают по формуле: ?Рс = ? ? ?
Потеря давления ? по длине гидролинии слива рассчитывают по формуле: ? = * * , где lвс - длина гидролинии всасывания, lвс = 3 м. ? = = = 0,095
? = 0,095 * * = 0,05 (МПА).
Потери давления в местных сопротивлениях ? рассчитывают по формуле: ? = (0,2 0,3) * ? , ? = 0,2 * 0,05 = 0,01 (МПА).
Потеря давления в гидроаппаратуре: ? = ? ? ?
? = ? * 2 = 0,1 * 2 = 0,016 (МПА).
? = ? * 2 = 0,25 * 2 = 0,02 (МПА).
? = ? * 2 = 0,05 * 2 = 0,004 (МПА).
? = 0,016 0,02 0,004 = 0,04 (МПА).
?Рс = 0,05 0,01 0,04 = 0,1 (МПА).
Суммарные потери давления рассчитывают по формуле: ?Р = ?Рн ?Рвс ?Рс
?Р = 0,0255 0,41 0,1 = 0,5355 (МПА).
Выбор типа насоса
Подачу насоса Qн рассчитывают по формуле: Qн = Qxx ?Q, Величину утечек ?Q рассчитывают по формуле: ?Q = ky * Р1 * n, гдеку - размерный коэффициент утечек, ку = 0,3 10-3 ;
Р1 - расчетное давление, Р1 = 3,2 МПА;
n - количество гидроцилиндров, n = 1.
?Q = 0,3 10-3 * 3,2 * 1 = 0,96 10-3 (л/мин).
Qн = 13 0,96 * 10-3 = 13,00096 (л/мин).
Рабочее давление насоса Рн рассчитывают по формуле: Рн = Рман Рвак
Манометрическое давление Рман рассчитывают по формуле: Рман = Р1 ?Рн ?Рс
Рман = 3,2 0,41 0,1 = 3,71 (МПА)
Вакуум во всасывающей линии насоса Рвак рассчитывают по формуле: Рвак = (? * g * zвс) * 10-6 ?Рвс, гдеzвс - геометрическая высота всасывания, zвс = 0,5 м.
Эффективную мощность насоса Nн рассчитывают по формуле: Nн = Рн * Qн
Nн = 3,74 * 13,00096 * (1/60000) = 0,8 (КВТ)
Выбираем насос пластинчатый нерегулируемый типа Г12-31АМ: Qном = 5,8 л/мин;
Рном = 6,3 МПА;
Nном = 1,04 КВТ;
? = 0,76.
Мощность приводного двигателя к насосу рассчитываем по формуле: Nд =
Nд = = 1,4 КВТ.
Расчет емкости гидробака
Объем гидробака к насосу определяется по его 3-5 минутной производительности, с учетом запаса по высоте: W = 1,2 * (3 5) * Qном
W = 1,2 * 4 * 5,8 = 27,8 (л).
Принимаем гидробак объемом 30 литров.
Разработка электрогидравлической схемы
Электрогидравлическая схема предполагает наличие четырех реле давлений, трех концевых выключателей и двух датчиков: уровня и температуры. В третьем токопроводе установлен электромагнит У4 распределителя Р4. Применение контактов К1, К2, К3 соответствующих реле К1, К2, К3 обеспечиваются включение реле. Об отклонении контролируемых параметров узнаем визуально при активации сигнальных ламп. В схеме на первом токопроводе предусмотрена сигнальная лампа.
Описание работы схемы: Холостой ход: изначально шток гидроцилиндра ГЦ1 находиться в задвинутом положении. В этом положение он включает датчик концевого выключателя S1. Концевой выключатель S1 подает сигнал на электромагнит У3 ?-распределителя Р2. Переключается позиция ?-распределителя Р2 в правое положение и рабочая жидкость из насоса Н подается через 2/2-распределитель Р1 в поршневую полость. Шток выдвигается со скоростью VXX = 0,013 м3/с.
Рабочий ход: шток достигает датчика концевого выключателя S2, который в свою очередь включает электромагнит У1 2/2-распределителя Р1, позиция распределителя переключается в левое положение, которая закрывает проход рабочей жидкости. Рабочая жидкость проходит через регулятор расхода РП1, регулирующий скорость подачи жидкости, со скоростью VPX = 0,0016 м3/с.
Быстрый отвод: шток достигает датчика концевого выключателя S3, который в свою очередь включает электромагнит У2 ?-распределителя Р2 и снимает сигналы с электромагнитов У1 и У3 2/2-распределителя Р1. Переключается позиция 2/2-распределителя Р1 в правое положение, а на ?-распределителе Р2 позиция переключается в левое положение. От насоса Н рабочая жидкость подается в штоковую полость. Шток задвигается со скоростью VБО = 0,017 м3/с.