ЗАДАНИЯ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ
ЗАДАНИЕ 1
Произвести расчет и выбор основных элементов гидропривода
В приводах многих машин (кранах, бульдозерах, скреперах, подъемниках, экскаваторах и др.) применяется схема гидропривода,изображенная на рисунке 1.
Рисунок 1- Гидравлическая схема
Гидропривод состоит из бака масляного Б, насоса Н, обратного клапана КО, гидрораспределителя Р, гидроцилиндров ГЦ, трубопроводов, предохранительного клапана КП, фильтра Ф. Значения усилия на штоке F, скорости перемещения рабочего органа (поршня) , рабочего давления в гидроприводе р, длины трубоприводов, количество их перегибов на угол 900 приведены в таблице 1:
Таблица 1- Данные для расчета гидропривода
Рисунок 12 – Принципиальная схема тормозного оборудования тепловоза М62
Функциональную схему тормозного оборудования тепловоза М62 и ее описание можно найти в Интернете набрав в информационную строку соответствующую запись.
2. РАСЧЕТ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА
2.1 Выбор номинального давления
По значению номинального давления различаются гидравлические системы: низкого давления (до 1,6 МПа); среднего давления (до 6,3 МПа); высокого давления (до 20 МПа); сверхвысокого давления (более 25 МПа).
В конструировании гидроприводов имеется тенденция к увеличению рабочего давления, так как это позволяет при малых габаритах насосов и гидродвигателей получать большую мощность, а при той же мощности меньшие габариты и вес конструкции. Однако надо иметь в виду, что при больших давлениях (более 25 МПа) повышаются требования к применяемым материалам, уплотнениям, к жесткости конструкции и т.п. Следует также учитывать максимальные давления, создаваемые серийными насосами, которые выпускаются промышленностью. Кроме того, если выбрать большое давление при сравнительно малом усилии на штоке гидроцилиндра, то диаметр последнего может оказаться слишком малым, не предусмотренным рядом нормализованных гидроцилиндров.
Выбирая номинальное давление рн, нужно руководствоваться рядом номинальных давлений по ГОСТ 12445-80 (МПа): 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80, 100; 125; 160; 200; 250.
2.2 Выбор рабочей жидкости
Работоспособность и долговечность гидрооборудования зависит от правильности выбора рабочей жидкости. Рабочая жидкость кроме основной функции - передача энергии от насоса к гидродвигателю - выполняет ряд важных функций: смазка трущихся поверхностей детали; удаление продуктов износа трущихся пар; предохранение их от коррозии; охлаждение гидравлической системы. Выбор рабочей жидкости осуществляется с учетом ее свойств, условий эксплуатации и конструкции гидропривода. Если гидропривод работает в зоне высоких температур (жидкого или раскаленного металла, высокотемпературного газа) с возможностью возникновения пожара, то следует использовать пожаробезопасную рабочую жидкость.
Температура застывания рабочей жидкости должна быть не менее чем на 10°С ниже наименьшей температуры окружающей среды, в которой работает гидропривод.
Вязкость масла существенно зависит от температуры и должна поддерживаться в оптимальных пределах во всем интервале эксплуатационных температур.
Нижний предел применимости масла определяется температурой прокачиваемости его в гидроприводе, которая обычно на 10 — 15°С выше температуры застывания масла. Кроме того, рекомендуются определенные пределы вязкости рабочей жидкости для нормальной работы насосов (таблица 2).
Таблица 2 - Ограничение вязкости рабочих жидкостей для роторных насосов
Тип насоса
Вязкость жидкости, v 104, м2/с
минимальная1
максимальная'
Аксиальные роторно-поршневые
0,05 — 0,08
18 — 20
Пластинчатые
0,10 — 0,12
35 — 45
Шестеренные
0,16 — 0,18
45 — 50
В гидроприводах строительно-дорожных и подъемно-транспортных машин применяются только загущенные минеральные масла, обладающие хорошей смазывающей способностью, химической стабильностью при повышенных температурах, хорошими антикоррозийными и противопенными свойствами. В настоящее время широко применяются следующие масла: МГ-20, МГ-30, ВМГ-3, АМГ-10, И-12,И-20,И-30. Выбор марки масла должен производиться с учетом режима работы гидропривода, климатических и температурных условий, соответствия вязкости номинальному давлению, а также рекомендации заводов-изготовителей гидромашин. В гидроприводах, эксплуатируемых на открытом воздухе при температуре от +50° до -60° С, рекомендуется применять не более двух сортов рабочей жидкости (летнее и зимнее). Уровень вязкости рабочей жидкости в условиях эксплуатации должен находиться в пределах 20-200 сСт (мм2/с). Допустимый диапазон вязкости масла при кратковременной эксплуатации может быть 10-2000 сСт (мм2/с). Температура застывания рабочей жидкости должна быть на 15-20° С ниже наименьшей температуры окружающей среды, в которой будет эксплуатироваться гидросистема. Максимальная температура рабочей жидкости в гидросистеме не должна превышать 70-80° С. Для обеспечения оптимального температурного режима гидросистем, работающих в тяжелых климатических условиях, необходимо предусматривать средства для охлаждения рабочей жидкости (маслорадиаторы) или прогрева (пропуск через предохранительный клапан насоса под максимальной нагрузкой). Для выбора рабочей жидкости необходимо знать граничные величины температуры окружающего воздуха, которые зависят от климатической зоны эксплуатации. Граничные температуры окружающего воздуха для различных климатических зон:
• Крайний Север и Сибирь -50...+35° С;
• районы средней полосы РФ -35...+40° С;
• южные районы страны -25...+50° С.
Масла МГ-20 и МГ-30 предназначаются для гидроприводов, работающих на открытом воздухе в средних и южных районах (заменители: ИС-20, ИС-30); ВМГЗ пригодно для всесезонной эксплуатации гидроприводов в районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, а в средней и южных зонах - в зимний период (заменитель -АМГ-10); МГ-30, силиконовая жидкость 7-50-СЗ рекомендуются для условий тропиков. Рабочая жидкость выбирается по приложению 1.
Параметры гидроцилиндра — диаметр поршня Dn,, диаметр штока dшт,, ход поршня S — выбираются по ГОСТ 6540-68 (приложение 2) исходя из условий:
Dn ≥ Dp, dшт ≥ dp.
Площадь поршня в "рабочей" полости
.
(2)
Площадь поршня в "штоковой" полости
.
(3)
Уплотнения поршня, штока подбираются по [9, 12].
2.4 Определение расхода гидросистемы
Теоретический расход рабочей жидкости гидроцилиндра для прямого хода (подачи)
Qц = fn v,
(4)
где v — заданная скорость поршня, м/с.
Теоретический расход рабочей жидкости гидроцилиндра для обратного хода
Qц = fшт vобр,
(5)
где vобр — скорость возврата рабочего органа.
Расход гидросистемы, необходимый для обеспечения заданной скорости
Qc=l,02Q,
(6)
где 1,02 — коэффициент, учитывающий утечки в гидросистеме.
Следует учесть, что при большой разнице расходов для подачи и обратного хода необходимо изменить диаметр штока гидроцилиндра так, чтобы расходы были приблизительно равными.
2.5 Оценка предварительной мощности гидропривода
Оценка предварительной мощности гидропривода производится по формуле:
,
(7)
где рн — давление насоса (Па);
η =0,7 — предварительный коэффициент полезного действия гидросистемы.
При мощности гидропривода N < 7 кВт применяют дроссельное регулирование скорости движения выходного звена, а при N > 7 кВт — объемное.
2.6 Расчет трубопроводов
При выборе диаметра трубопровода необходимо учитывать рекомендацию СЭВ PC 3644-72 [12], регламентирующую скорость ' потоков рабочей жидкости в трубопроводах в зависимости от их назначения и номинального давления рн:
— для напорных линий:
pн, МПа 2,5 6,3 16 32 63 100
', м/с, не более 2 3,2 4 5 6,3 10
—для сливных линий ' = 2 м/с;
—для всасывающих — ' < 1,6 м/с.
Тогда ориентировочный диаметр трубопровода
d´ =
(8)
Внутренний диаметр трубопровода (условный проход) Dy ≥ d' — выбирается согласно ГОСТу 16516-70 Dy [м] = 0.004: 0.005; 0,0063; 0,008, 0,01, 0,012; 0,016, 0,02, 0,025, 0,032,'0,04; 0,05, 0,063; 0,08; 0,1; 0,125; 0,16; 0,20; 0,25.
Тип трубопровода (стальные трубы, рукава высокого давления), геометрические размеры и вес трубопроводов подбирается согласно [12] или по приложению 3. Действительная скорость движения жидкости в трубопроводе:
(9)
Потери давления по длине напорного или сливного трубопровода, (МПа)
, (10)
где — плотность жидкости, кг/м3;
λ — коэффициент гидравлического трения;
— длина рассчитываемого трубопровода (принимается студентом по заданию).
Коэффициент гидравлического трения определяется в зависимости от режима движения жидкости. Режим движения жидкости определяется по числу Рейнольдса:
, (11)
где – коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости.
— при ламинарном режиме (Re ≤ 2320):
λ = (12)
— при турбулентном режиме (Re > 2320):
λ = при 2320 < Re < 10 , (13)
при 10 < Re <500 , (14)
при Re > 500 , (15)
где кэкв - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности трубы.
Для новых бесшовных стальных труб можно принять кэкв = 0,03 мм.
Потери давления в местных гидравлических сопротивлениях (МПа)
∆pм= , (16)
где — сумма коэффициентов местных сопротивлений, расположенных на рассчитываемом трубопроводе (тип, количество и значения местных сопротивлений принимаются по принципиальной гидравлической схеме, а величина их- по приложению16);
- сумма потерь давления в гидроаппаратах, расположенных на рассчитываемом участке трубопровода (напорном или сливном).
Для расчета ∆p по значениям рн и Qc выбираются стандартные гидроаппараты с пересчетом потерь давлений в них по формуле:
∆p = ∆pH (Qc/QH0M)2, (17)
где ∆ рн — номинальный перепад давления на гидроаппарате,
Qc — расход гидросистемы;
QH0M — номинальный расход жидкости через гидроаппарат.
Гидравлические потери в трубопроводе:
∆ рг = ∆рl +∆pм (18)
2.7 Определение давления в гидроцилиндре и КПД гидроцилиндра
Давление в гидроцилиндре, необходимое для преодоления полезной нагрузки:
(19)
КПД гидроцилиндра найдем, определив:
а) потери на трение в гидроцилиндрах, МПа,
, (20)
где bF — сила трения в гидроцилиндрах, Н,
b — коэффициент,
b =0.1 при Dп = 0,04 — 0,06 м
b = 0,08 при Dп = 0,07 —0,125 м
b = 0,04 при Dп > 0.125 м
б) механические потери (давление, затраченное на преодоление сил трения в гидроцилиндре и силы противодавления), МПа,
, (21)
где — давление в "штоковой" полости, МПа.
Давление в "штоковой" полости определяется гидравлическим сопротивлением в трубопроводе от гидроцилиндра до бака. Согласно гидравлической схеме:
рпр =∆ рl +∆ pг.апп (22)
где ∆ рl, ∆ pг.апп — потери давления на трение по длине и в местных сопротивлениях сливного трубопровода; определяются по формулам (10), (16) соответственно.
Если в гидроприводе используется плунжерный гидроцилиндр, то в формуле (21) при расчете ∆ рмех следует принять (fшт/ fn) pnp = 0.
в) давление, подведенное к гидроцилиндру:
(23)
Тогда КПД гидроцилиндра: . (24)
2.8 Выбор насоса
Давление, которое должен развивать насос:
(25)
где ∑рг — сумма потерь давления в напорном и сливном трубопроводах, определяется по формуле (18).
Давление настройки предохранительного клапана
pн.к =(1,1-1,3) рнас. 26)
Насос выбирается по каталогам или по прилож. 4 - 5, исходя из того, что он должен обеспечивать подачу Qн ≥ Qc и давление рн ≥ рнас.
Подача может быть обеспечена одним или несколькими насосами, работающими параллельно на один трубопровод
При подборе насоса необходимо рассмотреть все возможные типы насосов шестеренные, пластинчатые, аксиальные и радиальные роторно-поршневые насосы.
Нужно иметь в виду, что рабочее давление насоса определяется сопротивлением гидропривода, который он обслуживает, и поэтому может отличаться от номинального давления, указанного в его паспорте.
Для выбранного насоса привести его параметры: подачу QH, давление рн, рабочий объем qH, частоту вращения nн, общий ηн, объемный ηон и механический ηмн КПД, долговечность Т.
2.9 Выбор гидроаппаратуры
Под гидроаппаратурой понимается золотниковый распределитель, дроссель, дроссель с регулятором, фильтр, предохранительные и переливные клапаны, гидроаккумуляторы.
Гидроаппаратура выбирается по справочникам [2-5] либо по прилож. 6 - 12 из условия р г.ап ≥ рнас и Q г.ап≥Qс.
В контрольной работе необходимо описать назначение и принцип действия гидроаппаратуры, привести основные параметры: тип аппаратуры, давление, потерю давления при номинальном режиме, условный проход, номинальный расход и вес.
2.10 Расчет КПД и мощности гидропривода
Задача по определению КПД и мощности гидропривода решается в следующей последовательности:
1. Определяется КПД гидросети.
В случае применения в гидроприводе регулируемого насоса (объемное регулирование):
. (31)
В случае нерегулируемого насоса (дроссельное регулирование):
- если дроссель расположен последовательно гидродвигателю:
, (32)
- если дроссель расположен параллельно гидродвигателю:
- (33)
2. Находится КПД гидропривода
(34)
3. Подсчитывается полезная мощность гидропривода полезная:
(35)
и затраченная (36)
2.11 Механические характеристики
Механической характеристикой гидропривода называется зависимость скорости выходного звена от приложенной к нему нагрузки при постоянном расходе.
Механическая характеристика гидропривода, построенная при Uдр = 1 (для гидропривода с дроссельным регулированием) или при Uн = 1 (для гидропривода с объемным регулированием), называется основной характеристикой. После построения основной характеристики находится несколько других характеристик при Uдр < 1 или при Uн < 1.
По механической характеристике или по уравнению механической характеристики определяется, при каких параметрах регулирования дросселя Uдр или насоса Uн обеспечивается заданная скорость выходного звена гидропривода.
Аналитически механические характеристики определяются следующим образом.
2.11.1 Гидропривод с дроссельным регулированием
Если дроссель установлен последовательно гидроцилиндру (на входе или на выходе) характеристики строятся по выражению:
, (37)
где А – коэффициент;
fдр.мах — максимальная площадь щели дросселя;
- необходимый перепад давления на дросселе для обеспечения заданной скорости поршня;
параметр регулирования дросселя.
Параметр регулирования дросселя:
, (38)
(39)
где - коэффициент расхода.
Коэффициент расхода зависит от конструкции дросселя и равен 0.6-0,65.
Максимальная площадь щели дросселя выбирается из справочников или может быть определена по его сопротивлению при номинальной подаче жидкости через него :
. (40)
Необходимый перепад давления на дросселе зависит от места установки его в сети. При установке на входе в гидроцилиндр:
. (41)
На выходе –
(42)
Если дроссель установлен параллельно гидроцилиндру, уравнение механической характеристики имеет вид:
. (43)
При этом определяется:
. (44)
2.11.2 Гидропривод с объемным регулированием
Уравнение механической характеристики
, (45)
где агп — коэффициент утечек в гидроприводе, м4 с/кг.
Принимаем, что утечки в гидросистеме и гидроцилиндре отсутствуют. В этом случае:
. (46)
2.11.3 Построение механических характеристик
Типовая форма графиков приведена на рисунке 14 (сплошные линии – характеристики гидропривода с дросселем, установленным последовательно гидроцилиндру, пунктирные – с дросселем, установленным параллельно гидроцилиндру).
Построение механической характеристики гидропривода с дросселем, установленным последовательно гидроцилиндру (рисунок 14а) производится по уравнению (37).
Для основной характеристики максимальное значение скорости (точка а) будет при , т.е. при холостом ходе поршня. Скорость поршня будет равна нулю (точка b), при ∆pдр =0, т.е.видно из формул (41), (42), при , если дроссель установлен на входе в гидроцилиндр; и при , если дроссель установлен на выходе из гидроцилиндра.
Построение механической характеристики гидропривода с дросселем, установленным параллельно гидроцилиндру (рисунок 14а), производится по уравнению (43). Точка а' основной характеристики определяется при и , а точка b1 находится при нагрузке:
(47)
Рисунок 14 - Механические характеристики гидропривода: а) гидропривод с дроссельным регулированием; б) гидропривод с объемным регулированием
Построение характеристики гидропривода с объемным регулированием (рисунок 14б) производится по уравнению (45). Точка а основной характеристики определяется подстановкой усилия цилиндра , т.е. при холостом ходе поршня, а точка b – подстановкой нагрузки равной Р.
2.12 Расчет гидробака для рабочей жидкости
Вместимость бака (м3) обычно выбирают равной трехминутной подаче насоса:
(48)
Значения Vм округляют до ближайшего большего значения из ряда номинальных вместимостей по ГОСТ 12448-80: Vм [дм3] = 0,4 0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 125; 160; 200; 250; 320 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000, 2500; 3200; 4000; 5000 6300; 8000; 10000; 12500; 16000; 20000; 25000.
Наиболее рациональной формой бака считают параллелепипед; уровень рабочей жидкости не должен превышать 0,8 высоты бака Н.
С учетом вышесказанного:
, (49)
где а — длина бака; b — ширина бака.
Задавшись произвольными (в пределах разумного) значениями а и Ь, находят высоту бака:
(50)
2.13 Тепловой расчет гидропривода
Тепловой расчет выполняют для определения максимальной температуры рабочей жидкости в гидроприводе и площади поверхности теплообменника (если без него невозможно обойтись).
Температура рабочей жидкости не должна превышать 60-70°С и определяется по формуле:
(51)
где -температура воздуха;
К – коэффициент теплоотдачи от бака к воздуху, К = 17,5 вт/(м2.0 °С), если нет циркуляции воздуха, К = 23 вт/(м2.0С), если есть обдув стенок бака струей воздуха.
— мощность, теряемая в гидроприводе:
(52)
Коэффициент теплоотдачи К = 23 вт/(м2.0С), если есть обдув стенок бака струей воздуха.
Если , то определяется количество теплоты, отводимое поверхностью бака:
, (53)
где tM = 60—70°С; tB = 25—30°С
Для отвода избыточного тепла необходимо предусмотреть теплообменник - воздушно-масляный радиатор, в котором охлаждаемое масло протекает по трубкам радиатора, снаружи обдуваемого потоком воздуха. Площадь поверхности масляного радиатора:
, (55) где Кр — коэффициент теплопередачи от масла к воздуху в радиаторе;
∆tр - расчетный перепад температур в масляном радиаторе.
При ∆tр = 30— 45°С Кр ~ 75 вт/(м2С); при ∆tр = 50— 70°С Кр ~ 120 вт/(м2С); Теплообменники выбираются по [3, 12] либо по прилож. 12 Для улучшения теплопередачи рекомендуется выполнять наружные стенки бака с ребрами, значительно увеличивающими площади теплоотдачи.
4. Ковалевский В.Ф., Железняков Н. Т., Бейлин Ю. Е. Справочник по гидроприводам горных машин. – М,: Недра, 1973.-502 с., ил.
5. Гидравлическое оборудование: Каталог-справочник. В 2 ч./Под ред. И.М. Степунина В. Я. Скрицкого. – М.:НИИМАШ, 1967.-ч.1, 400 с., ил.: ч. 2, 349 с. ил.
6. Башта Т. М. Гидропневмопривод и гидропневмоавтоматика. –М. Машиностроение., 1972 –329 с., ил.
7.Абрамов Е. И. и др. Элементы гидропривода: Справочник.-Киев: Техника, 1977.-320 с., ил.
8.Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика: Справочное пособие. –М.:Машиностроение, 1971. –671 с., ил.
9. Васильченко В.А.Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник. – М.: Машиностроение, 1983. – 301 с.
10. Гидравлические агрегаты тракторов и сельскохозяйственных машин: Каталог. Ч. 1. /Г.А.Антипюк, И.А.Немировский, Д.Е.Флеер, Н.И.Бородай,Д.Е.Ханин. – М.: ЦНИИТЭИ автосельхозмаш, 1989. – 138 с.
11. Гидравлические агрегаты тракторов и сельскохозяйственных машин:
Каталог. Ч. 2. /Г.А.Антипюк, И.А.Немировский, Д.Е.Ханин. – М.: ЦНИИТЭИ тракторосельхозмаш, 1987. – 244 с.
12. Гидравлические агрегаты тракторов и сельскохозяйственных машин:
Каталог. Ч. 3. /Г.А.Антипюк, И.А.Немировский, Д.Е.Ханин. – М.: ЦНИИТЭИ тракторосельхозмаш, 1988. – 136 с.
13. Гидравлика и гидропривод: Учеб. пособие. /Н.С.Гудилин, Е.М.Кривенко,
В.С.Маховиков и др. – М.: Изд-во МГГУ, 2001. – 520 с.
14. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: Учеб. пособие /Под ред. С.П.Стесина. – М.: ИЦ «Академия», 2005. – 384 с.
Рисунок 1- Гидравлическая схема
Гидропривод состоит из бака масляного Б, насоса Н, обратного клапана КО, гидрораспределителя Р, гидроцилиндров ГЦ, трубопроводов, предохранительного клапана КП, фильтра Ф. Значения усилия на штоке F, скорости перемещения рабочего органа (поршня) 
, рабочего давления в гидроприводе р, длины трубоприводов, количество их перегибов на угол 900 приведены в таблице 1:
Таблица 1- Данные для расчета гидропривода
, м
:
Р
.
.
,
, (10)
— плотность жидкости, кг/м3;
, (11)
– коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости.
(12)
при 2320 < Re < 10 
, (13)
при 10 
при Re > 500 
, (16)
— сумма коэффициентов местных сопротивлений, расположенных на рассчитываемом трубопроводе (тип, количество и значения местных сопротивлений принимаются по принципиальной гидравлической схеме, а величина их- по приложению16);
- сумма потерь давления в гидроаппаратах, расположенных на рассчитываемом участке трубопровода (напорном или сливном).
(19)
, (20)
, (21)
— давление в "штоковой" полости, МПа.
(23)
. (24)
(25)
или по прилож. 4 - 5, исходя из того, что он должен обеспечивать подачу Qн ≥ Qc и давление рн ≥ рнас.
. (31)
, (32)
- (33)
(34)
(35)
(36)
, (37)
- необходимый перепад давления на дросселе для обеспечения заданной скорости поршня;
параметр регулирования дросселя.
, (38)
(39)
- коэффициент расхода.
при номинальной подаче жидкости через него 
:
. (40)
. (41)
(42)
. (43)
. (44)
, (45)
. (46)
, т.е. при холостом ходе поршня. Скорость поршня будет равна нулю (точка b), при ∆pдр =0, т.е.видно из формул (41), (42), при 
, если дроссель установлен на входе в гидроцилиндр; и при 
, если дроссель установлен на выходе из гидроцилиндра.
, а точка b1 находится при нагрузке:
(47)
(48)
, (49)
не должна превышать 60-70°С и определяется по формуле:
(51)
-температура воздуха;
— мощность, теряемая в гидроприводе:
(52)
, то определяется количество теплоты, отводимое поверхностью бака:
, (53)
необходимо предусмотреть теплообменник - воздушно-масляный радиатор, в котором охлаждаемое масло протекает по трубкам радиатора, снаружи обдуваемого потоком воздуха. Площадь поверхности масляного радиатора:
, (55) где Кр — коэффициент теплопередачи от масла к воздуху в радиаторе;