ПРИМЕР 1. ОГП с гидроцилиндром

ГИДРОПНЕВМОПРИВОД

(примеры проектирования и расчета гидросхем)

Составил доц. Дорошенко В.А.

ПРИМЕР 1. ОГП с гидроцилиндром

1. Исходные данные:

а) для компоновки гидросхемы

- тип цикла- (1) – «БП- РХ – БО »;

- тип гидродвигателя – (А-а ) - одноштоковый гидроцилиндр;

- схема циркуляции – (А) – открытая (разомкнутая);

- способ управления циклом – (А-а) – «по пути», внешними включателями

- тип команды управления – (А) – гидравлическая;

- регулирование скорости ГЦ – (А-а) - дроссельное, посредством дросселя, устанавливаемого на входе в ГД;

б) для расчета рабочих параметров и выбора гидроаппаратуры

- нагрузка на рабочий орган (шток) - R = 25 кН;

- эффективное давление нагнетания (в гидросистеме) - р _эф = 3 МПа;

- скорости движения по фазам цикла: и _БП = 3,5 см/с; и _РХ = 1,4 см/с;

- длины: рабочего хода l _PX = 200 мм, быстрого подвода l _БП = 400 мм;

- длины трубопроводов: нагнетания L_Н = 4 м, слива L _СЛ = 6 м;

в) дополнительные условия

- тип гидрораспределителя (ГР) – золотниковый, реверсивный,3/4;

- установка фильтра – перед гидрораспределителем;

- рабочая жидкость (РЖ) – минеральное масло марки ИС-20 (плотность ρ= 880 кг/м³, вязкость ν = 0,2 см²/с );

- допустимые скорости течения РЖ в линиях: υ_Н = 3,5 м/с, υ_СЛ = 2,0 м/с;

- остановку работы гидросистемы производить посредством основного гидрораспределителя – переключением в нейтральную позицию «о»;

- общий КПД гидропередачи принять η_гп = 0,8.

2. Составление принципиальной гидросхемы и описание ее работы.

1). По условиям задания составляется принципиальная гидросхема, реализующая рабочий цикл в автоматическом режиме (рис. 1).

Позиции аппаратуры управления, соответствующие фазам цикла, представлены в таблограмме:

Таблограмма

2. Работа гидросистемы в автоматическом режиме.

На начальной стадии цикла «БП» жидкость подаётся в поршневую по-лость ГЦ 1 по трассе 8 – 2 – 5 – 1 с максимальным необходимым расходом Q _max, слив РЖ происходит по трассе 1 – 8.

Автоматическое переключение на «РХ» осуществляется гидрораспределителем 5, который отжимается подвижной линейкой на штоке ГЦ и в поз. «b» перекрывает поток жидкости по обводной линии. РЖ поступает в поршневую полость через дроссель 3 по трассе 8 – 2 – 3 – 1.

При нажатии штоком в крайнем правом положении распределителя 7, тот переводится в поз. «а », после чего основной распределитель 8 переключаетсяся в поз. «b » и реализуется быстрый отвод поршня: жидкость подается по трассе 8 - 1, слив происходит по трассе 1 – 4 – 2 - 8. В крайнем левом, исходном, положении поршня перевод основного ГР 8 в поз. «b » осуществляется аппаратом 6.

Остановка поршня в любой момент времени (оператором) производится путем разгрузки гидросистемы от давления через кран управления, подключенный к нагнетательной линии; перевод крана в поз. «b » соединяет нагнетательную линию с гидробаком и переключает насос на слив.

2 6

1 7

 

Рис. 1. Дроссельно-регулируемая ОГП с управлением «по пути»

3. Расчет рабочих параметров и выбор гидроаппаратов

3.1. Выбор гидродвигателя (ГЦ)

1) Определение необходимого диаметра поршня ГЦ

D = = = 0,1086 м = 108,6 мм.

Принимаем стандартное значение [2, c.7]: D = 110 мм.

2) Определение диаметра штока

d = 0,5 D = 55 мм;

принимаем стандартное значение [2, c.54] d = 56 мм.

Определяя длину хода штока s = 600 мм, выбираем гидроцилиндр марки ЦГ-1216 [2, c.60, табл.3.4] с параметрами D= 110мм, d= 56 мм, ход s = 640 мм, рабочее давление до 16 МПа.

 

 

3.2. Выбор насоса

1) Максимально необходимый расход РЖ (для обеспечения БП)

Q _max = u _БП ∙S₁ = u _БП ∙ = 0,035∙3,14∙0,11²/4 = 0,000332 м³/с = 19,95 л/мин.

2) Минимально необходимое давление при рабочем ходе

р _min = 4R/πD² η _м = 2,92 МПа, где η_м = 0,9– механический КПД ГЦ.

По расходу и давлению выбирается насос [2, c.33, табл. 2,11]: пластинчатый НПл 25/6,3 (ТУ2-053-1899-88) (з-д «Гидропривод», г. Елец) с параметрами: - номинальная подача 21,1 л/мин; номинальное давление р _ном = 6,3МПа; полный КПД η_н = 0,78, η_он = 0,88; частота вращения п = 950 об/мин.

3.3. Выбор аппаратуры управления и регулирования

По расходу и давлению выбирается гидроаппаратура:

1) основной гидрораспределитель 4 – золотниковый, реверсивный типа В6, исполнение по схеме 64 с гидроуправлением [2, c.91, табл.4.1; с.95, табл. 4.2] с условным проходом 6 мм [2, c.100, табл. 4.3]; потери давления при номинальном расходе Δ р _ГР 0,4 МПа[2, c.99, рис. 4.2, кривая 3 ].

2) переливной предохранительный клапан 2: тип Г54-32М [2, c.140, табл. 5.2] с параметрами: условный проход 10 мм, расход 35 л/мин, номинальный перепад давления Δ р = 0,2 МПа; рабочее давление р _ном = 20 МПа.

3) регулятор расхода – дроссель 7 ДР-12 [2, c.177, табл. 5.25] c параметрами: условный расход 12 мм, номинальный расход 25 л/мин, потеря давления Δ р _др = 0,3 МПа;

4) золотник 9 и обратный клапан 10: Г74-24 и Г51-24.

5) фильтр 1ФГМ-М с тонкостью фильтрации 25 мкм и расходом 40 л/мин [2, c.313, табл. 8.18], номинальные потери давления Δ р = 0,08 МПа.

4. Расчет трубопроводной системы

4.1. Определение диаметров трубопроводных линий

1) Диаметр трубопровода линии нагнетания. Исходя из предельно допустимой скорости течения υ _наг = 3,5 м/с, получаем d₁ = = 10,9 мм; принимаем – ГОСТ 8734-75 [2, c.357, табл.8.41] стальную бесшовную холоднодеформированную трубу с наружным диаметром d_н1 = 18 мм и толщиной стенки δ ₁ = 3,5 мм.

2) Диаметр трубопровода линии слива: по допустимой скорости υ_сл = 2 м/с и расходу из штоковой полости Q = u_БП∙S₂ = 15,8 л/мин получаем:

d₂ = _сл = 12,9 мм; принимаем стандартное d_н2 = 20 мм, δ ₂ = 3,5 мм.

4.2. Расчеты потерь давления в линиях при рабочем ходе

1) Определяем скорости потока при РХ в линиях:

- в линии нагнетания: расход при РХ равен Q₁ = u_PX ∙S₁ = 0,00013 м³/с = 7,97 л/мин; следовательно, υ_1РХ = 4 Q₁/πd₁² = 1,65 м/с,

- в линии слива:расход слива при РХ равен Q₂=и_РХ∙ S₂ = 0,000016 м³/c = 0,942л/мин; следовательно, υ_2РХ = 4 Q₂/πd₂² = 0,09 м/с.

2) Устанавливаем режимы течения в трубах:

- в линии нагнетания: Re₁ = υ_1РХ∙d₁/ν = 1,65∙0,01/0,2∙10⁻⁴ = 825, то есть режим течения в трубе ламинарный;

- в линии слива: Re₂ = υ_2PX∙d₂/ν = 67,5, то есть течение ламинарное.

3) Определяем коэффициенты линейных потерь (Дарси) и рассчитаем потери давления в линиях:

а) коэффициенты λ:

- в линии нагнетания: λ₁ = 64/Re₁ = 0,077 0,08;

- в линии слива: λ₂ = 64/Re₂ = 0,95;

б) линейные потери (по длине трубы)

- линия нагнетания: Δ р₁ = λ₁ρ υ₁²L₁/2d₁ = 0,01 МПа;

- линия слива: Δ р₂ = λ₂ρ υ₂²L₂/2d₂ = 0,003 МПа;

в) локальные (в местных гидросопротивлениях)

линия нагнетания: - в гидрораспределителе 4:

Δ р_ГР = Δ р _Т (Q₁/Q_T)² = 0,4 МПа,

где Q_T - табличное значение расхода из справочника [2, c.99];

- в фильтре Δ р_Ф = Δ р_Т(Q₁/Q_T) = 0,08 МПа;

-в дросселе Δ р_ДР = 0,3 МПа.

линия слива: - в гидрораспределителе Δ р_ГР = 0,2 МПа;

в) суммарные потери давления в линиях:

- в линии нагнетания: Δ р_НАГ = Δ р₁ + Δ р_ГР + Δ р_Ф + Δ р_ДР = 0,01 + 0,4 + 0,08 + 0,3 = 0,79 МПа;

- в линии слива:Δ р_СЛ = Δ р₂ + Δ р_ГР = 0,003 + 0,2 = 0,203 МПа;

Общие потери давления в гидросистеме:

Δ р_С = Δ р _НАГ + Δ р _СЛ 1,0 МПа

5. Расчет необходимой мощности насоса и привода

5.1. Мощность насоса

Вначале определяется необходимое давление насоса с учетом нагрузки R и потерь давления в гидросистеме:

р _Н = р _R + Δ р_С = р _min + Δ р_с = 2,92 + 1,0 = 3,92 МПа.

Отсюда мощность насоса при РХ определится как

N _Н = р _Н ∙Q _Н = 3,92∙10⁶ ∙0,000377= 1479Вт ≈ 1,48 кВт,

где подача насоса Q _Н = Q _{ma x} / η_oн = 0,000332/0,88 = 0,000377 м³/с.

5.2. Мощность привода (на валу насоса)

N _ПР = N _Н / η_н = 1,479/0,78 = 1,896 кВт 1,9 кВт.

Или, с учетом необходимого резерва мощности (К_рез = 1,25), получаем

N _{ПР о} = 1,25 Р _ПР = 2,37 кВт ≈ 2,5 кВт.

Давление настройки предохранительного переливного клапана 2 принимаем, исходя из давления р _н, равным

р _кл = р _max= 4 МПа.

Гидроуправление основным гидрораспределителем 4 осуществляется золотниками 11 и 12 типа Г74-24; для блокировки гидропривода оператором машины в любом положении (например, при потере давления в системе) используется пробочный кран 5 типа П6.

6. Построение характеристики гидросистемы и определение режима работы

Уравнение характеристики гидросистемы записывается в виде

р_с = р_эфф + К_сQ²,

где р_эфф – давление насоса, необходимое для преодоления нагрузки R без учета потерь в линиях и гидроаппаратуре, т.е. р_min = 2,92 МПа(п.3.2);

К_с - общий коэффициент сопротивления системы, учитывающий местные и линейные потери давления; его находят из соотношения:Δ р_с = К_с ∙Q₁², то есть

K_c = Δ p_c/Q ₁ ²= 1,0/400 = 0,0025 МПа/(л/мин)².

 

Р, МПа Заносим данные расчетов в таблицу:

Q1, л/мин
Δ рс, МПа	0,0625	0,25	0,56	1,0

р_с р_кл р_н

Строим кривую характеристики сети

p _c = f (Q ²)

и устанавливаем рабочую точку «А » на ее пересечении с главной характеристикой насоса р _н = f (Q) (рис.2).

_­ Рис.2

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Дорошенко В.А. Гидро- и пневмопривод: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2019.

2. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник: Библиотека конструктора. – 4-е изд., перераб. и доп. – Машиностроение, 2004. – 512 с.

3. Багин Ю.И. Справочник по гидроприводу для машин лесной промышленности. М.: Лесная промышленность, 1992. – 324 с.

4. Гойдо М.Е. Проектирование объемных гидроприводов. Справочник конструктора. М.: Машиностроение, 2009. − 348 с.

 

ПРИМЕР 2. Гидросистема с рычажно-поршневым ПГД

1. Исходные данные:

а) для компоновки схемы

- рабочий цикл: «РХ – БО»;

- тип гидродвигателя: поворотный, рычажно-поршневой;

- схема циркуляции: замкнутая;

- управление циклом: «по пути » и «по давлению» (объемно-машинное, насосом);

- тип команды управления: электромагнитная;

б) для расчета рабочих параметров и выбора гидроаппаратуры

- необходимый крутящий момент на выходе: М_кр = 110 кН∙м;

- длина рычага: r_P = 350 мм;

- угол поворота: φ = 60^о;

­ - эффективное давление нагнетания: р _эф = 32 МПа;

- длительность: рабочего хода t _PX = 6 cек, быстрого отвода t _БО = 1,5 сек;

- длина трубопроводных линий: L _H = 4 м, L_СЛ = 4,5 м.

в) дополнительные условия:

- допустимые скорости течения РЖ в линиях: υ_н = 3,0 м/с, υ_сл = 2,0 м/с;

- гидроторможение поршня при БО: посредством регулируемого внутреннего гидродемпфера;

- установка фильтра: на сливной линии;

- гидрораспределитель: 3/4 с закрытым центром, золотникового типа;

- жидкость(РЖ): минеральное масло ИГП-18: ν = 0,18 см²/с, ρ = 880 кг/м³;

- общий КПД гидропередачи принять η­_ГП = 0,8;КПД гидроцилиндра равен η_ГЦ = 0,85;

­ - остановка гидросистемы: отключением электромагнитов ГР;

- защита гидросистемы: посредством предохранительного клапана у насоса с переливом в гидробак (открытого типа);

2. Принципиальная схема гидропривода и описание ее работы

Принципиальная схема ОГП приведена на рис. 3.Установка функционирует следующим образом. При РХ гидрораспределитель 4 находится в позиции «а » (включение электромагнита Э1 производится концевым выключателем ВК₁), масло поступает в поршневую полость гидроцилиндра 5 с рабочей подачей насоса 2, обеспечивающей скорость рабочего хода и_РХ и поворот рычага 6. РЖ поступает по трассе 2 – 4 – 5, слив происходит по трассе 5 – 4 – 9 – 2. При БО происходит реверс движения поршня, он перемещается со скоростью и_БО при максимальной подаче насоса; в конце хода осуществляется гидроторможение (БО реализуется при нахождении ГР в поз. «b », в которую его переводит ВК ₂). После включения ВК ₁цикл повторяется. Остановка гидросистемы производится отключением питания электромагнитов.

БО РХ

6

5 М _КР

d r_p

D

BK₁ BK₂

a o b 7 8

Э1 Э2

4 9

3

2

1

 

 

3. Расчет рабочих параметров и выбор гидроаппаратуры

3.1. Выбор гидроцилиндра

1) Необходимое усилие на штоке F_ш

F_ш = M/r_p∙ η_ГЦ = 110∙10³/0,35∙0,85 =370∙10³ Н.

2) Необходимый диаметр поршня D

D = = 0,121 м = 121 мм.

Принимаем гидроцилиндр марки ЦГП-1213-32 с размерами (D/d/s):125/80/360 [2, c.61, табл. 3.4].

3.2. Выбор насоса

1) Необходимая подача насоса. По скорости быстрого отвода, определяемой из заданного времени и длины хода поршня и _БО = s/t_БО = 0,35/1,5 = 0,233 м/с, находим необходимую минимальную подачу насоса, приняв объёмный КПД цилиндра η_оЦ = 0,98:

Q _H = u _БО ∙S₂∙ η_oЦ = u _БО ∙π (D²- d²) / 4∙η_оЦ = 0,233∙3,14(0,125² – 0,08²)/4∙0,98 =0,00172 м³/с = 103,25 л/мин.

По подаче и давлению выбираем насос РНАIД 125/35 с Q_H = 170 л/минс регулятором давления с управлением от собственного потока [2, c.26, табл.2.5], η_оН = 0,95; η_н = 0,88.

3.3. Выбор гидрораспределителя, фильтра и переливного клапана

По расходу циркуляции, равному Q _H, выбираем:

- гидрораспределитель 4 марки 32-В-ЕХ-16-14-В22-М с расходом Q_ГР = 180 л/мин [2, c. 116-117, табл. 4.9] c электрогидравлическим управлением; потери давления Δ р_ГР = 0,4 МПа;

- фильтр 9 – всасывающий – типа FST-FS300 с номинальным расходом фильтрации Q _ф= 200 л/мин [1, c.305, табл. 8.11], Δ р _ф = 0,07 МПа;

- переливной клапан 3 – марка МКПВ с условным проходом 20 мм, номинальным расходом Q_кл = 160 л/мин и давлением настройки р _ном = 32 МПа, изменение давления настройки при изменении расхода от номинального до минимального не более 2 МПа [2, c.147, табл.5.7], монтаж ПК - трубный.

4. Расчет трубопроводной системы

4.1. Расчет параметров гидросистемы при РХ:

1) расходы рабочей жидкости в линиях:

- нагнетания Q ₁ = u _PX ∙S ₁= 0,058∙0,0122= 0,00071 м³/с =42,7л/мин,

где S ₁ = πD²/ 4 = 3,14∙0,125²/4 =0,0122 м²; и _РХ = s/t_PX = 0,35/6 = 0,058 м/с;

- слива Q ₂ = u _PX ∙S ₂ = 0,058∙0,0072 = 0,00042 м³/с = 25,1 л/мин.

2) необходимые диаметры труб:

- линии нагнетания: d₁ = = 0,0173 м = 17,3 ммпринимаем стандартное значение [2, c.357, табл. 8.41] для стальной бесшовной холоднодеформированной трубы по ГОСТ 8734-75 – наружный диаметр d_н1 = 28 мм и толщина стенки δ = 5,2 мм;

- линии слива: d₂ = = 0,0163 м = 16,3 мм; принимаем стандартное значение d _н2 = 28 мми толщина стенки δ = 5,2 мм.

4.2. Определение потерь давления в системе

Применив алгоритм расчета, описанный в примере 1, получим:

- потери давления в линии нагнетания Δ р_наг = 0,77 МПа

- потери давления в сливной линии Δ р_сл = 0,23 МПа

- общие: Δ р = 1 МПа.

5. Расчет необходимой мощности насоса и привода

N _Н = (р _эф + Δ р _общ) ∙Q_н = (32 + 1,0)∙0,00071 = 23,43 кВт.

N _ПРо = N _Н / η _н = 23,43/0,88 = 26,625 кВт,

или с учетом коэффициента резерва К_рез = 1,3получаем N _ПР = 3,46 кВт.

Составим таблограмму рабочего цикла:

Фазы цикла	Позиции гидроаппаратов
Рабочий ход (РХ)	а	вкл	-
Быстрый отвод (БО)	b	-	вкл
Остановка поршня	о	-	-