Определяем площадь окна распределителя

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

Высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет

(национальный исследовательский университет)»

Политехнический институт

Факультет «Механико-технологический»

Кафедра «Гидравлика и гидропневмосистемы»

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

 

«Объемные гидромашины»

Тема: «Разработка аксиально – поршневого насоса с наклонным блоком»

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

 

 

Руководитель проекта

С.Ю. Битюцких

«___» __________ 2017г.

 

 

Автор работы

студент группы ПЗ-457

С.Ю. Кудрявцев

«___» __________ 2017г.

 

Челябинск 2017

АННОТАЦИЯ

 

Кудрявцев С.Ю. Разработка аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком.

г. Челябинск: ЮУрГУ.ПЗ.2017 Литература - 4, листов - 33

 

В данном курсовом проекте рассматривается изделие – насос аксиально-поршневой с наклонным блоком.

В нем выполняется расчет основных узлов, механизмов и подшипников в соответствии с заданием, имеется описание конструкции и принципа действия, также выполняется чертежи основных деталей.

Данная работа включает в себя такие дисциплины как: ОГМ, материаловедение, технология машиностроения. Она позволяет закрепить знания по дисциплинам, необходимым инженеру - конструктору.

Расчет агрегата в данном проекте приближено к реальным условиям рабочего процесса инженера-конструктора, что пригодится в дальнейшем на практике.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00. ПЗ

Разраб.

Кудрявцев СспршрысшщывсССССЮ. сСС.Ю

Провер.

Битюцких

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Расчет аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком

Лит.

Листов

ЮУрГУ кафедра ГиГПС

СОДЕРЖАНИЕ

Задание............................................................................................................................... 3

Введение............................................................................................................................ 5

1 Описание конструкции и принципа действия........................................................... 8

2 Конструкторская часть................................................................................................ 11

2.1 Расчет блока цилиндров.......................................................................................... 11

2.2 Расчет распределителя............................................................................................. 14

2.3 Расчет конической передачи................................................................................... 18

2.4 Расчет валов.............................................................................................................. 24

2.5 Расчет подшипников качения................................................................................. 30

Заключение...................................................................................................................... 32

Список использованных источников........................................................................... 33

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

ВВЕДЕНИЕ

 

Аксиально-поршневые гидромашины выполняются либо с наклонным блоком цилиндров, либо с наклонным диском. Преимущества гидромашин первого типа: небольшие радиальные нагрузки на поршень благодаря шатунной связи поршня с валом; малый периметр утечек, определяемый распределительным узлом и поршневой парой; большой угол наклона блока (до 45°) и, следовательно, высокие насосные характеристики; более высокий (на 2...3%) КПД, чем у гидромашин с наклонной шайбой.

На рисунке 1, а показана схема аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров. Насос состоит из неподвижного распределительного диска 1, имеющего два серпообразных канала, соединенных со всасывающей 8 и напорной Н гидролиниям. Внутри вращающегося блока цилиндров 2 расположены рабочие камеры 3, образованные поверхностями цилиндров и перемещающихся поршней 4. Поршни шарнирно соединены шатунами 5 с упорным фланцем 6, который вращается вместе с приводным валом 7. При совместном вращении вала 7 и блока цилиндров 2 вокруг своих осей поршни 4, вращаясь вместе с блоком, совершают возвратно-поступательное движение относительно цилиндров. За один оборот вала каждый поршень насоса совершает один двойной ход. В результате этого каждый поршень в течение одной половины оборота освобождает некоторое пространство внутри цилиндра, и рабочая камера заполняется жидкостью из всасывающей гидролинии В. Происходит цикл всасывания. В течение следующей половины оборота поршень вытесняет жидкость из рабочей камеры в напорную гидролинию Н. Происходит цикл нагнетания. Рабочий объем насоса зависит от угла наклона γ блока цилиндров. Изменяя γможно изменять рабочий объем, а, следовательно, и подачу насоса. Чем больше γ,тем больше рабочий объем и подача насоса.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

Рисунок 1 - Схема аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров (а) и диском (б): 1-распределительный диск; 2-блок цилиндров (ротор); 3-рабочая камера; 4-поршень (вытеснитель); 5-шатун; 5' - наклонный диск; 6- упорный фланец; 6',7-приводной вал.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

В гидромашинах с наклонным диском (рисунок 1, б) блок цилиндров (ротор) 2 соосен с приводным валом 6' и вращается вместе с ним, а поршни (плунжеры) 4 опираются на неподвижный наклонный диск (шайбу) 5', благодаря чему совершают возвратно-поступательное движение. При этом происходит всасывание жидкости при выдвижении поршней 4 из блока цилиндров 2 и вытеснение жидкости при движении поршней в блок цилиндров. Для подвода и отвода жидкости к рабочим камерам 3 в неподвижном торцовом распределительном диске 1 выполнены два серпообразных канала, соединенных со всасывающей В и напорной Н гидролиниями. Для обеспечения движения поршней во время цикла всасывания применяется принудительное прижатие их к наклонному диску пружинами или давлением жидкости.

Аксиально-поршневые гидромашины стали одними из наиболее применяемых в гидроприводах мобильных машин и стационарном оборудовании благодаря следующим преимуществам: более высокому полному КПД (0,85...0,94) по сравнению с КПД шестеренных и пластинчатых гидромашин; работоспособности при высоком давлении в пределах 20...32 МПа (до 40...50 МПа); возможности регулировать рабочий объем за счет наклона диска или блока цилиндров; широкому диапазону рабочих объемов от 0,5 см³ до 30 дм³; высокой всасывающей способности насосов, обеспечивающей возможность их эксплуатации в гидросистемах с открытой циркуляцией рабочей жидкости; широкому диапазону частоты вращения - от 1 (минимальная частота вращения гидромотора) до 2500 об/мин(максимальная частота вращения насоса); длительным срокам службы до 10000...12000 ч; низкому уровню шума; достаточно высоким удельным показателям и др. Однако у них сложные кинематика и динамика, много прецизионных деталей, поэтому они сложны в изготовлении, имеют высокую стоимость и предъявляют повышенные требования к тонкости фильтрации рабочей жидкости.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ

Рисунок 2 - Схема аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком

 

Насос состоит из корпуса 1, к одному торцу которого присоединяется крышка 2, а к другому крышка 21.

Уплотнение сопряжений корпусных деталей и крышек осуществляется при помощи колец 25, 26, 27 из маслостойкой резины.

В корпусе установлен вал 4 с семью поршнями 8. Передней опорой вала служат шариковые радиально-упорные подшипники 29, а задней опорой – радиальный шариковый подшипник 30. Для исключения утечек жидкости предусмотрена манжета 28, установленная в расточку крышки 2.

Выходной конец вала шлицы. Другой конец вала выполнен в виде диска с семью отверстиями, равномерно расположенными по окружности. В этих отверстиях установлены с натягом и развальцованы бронзовые втулки 14. В каждой втулке завальцована сферическая головка шатуна 7. На противоположной сферической головке каждого шатуна завальцован бронзовый поршень 8. Шатуны имеют возможность свободно поворачиваться во вкладышах и поршнях. Для обеспечения смазки сфер шатунов при работе гидромашины, шатуны имеют осевые отверстия, через которые поступает рабочая жидкость.

В центральной расточке вала 4 размещена и закреплена от поворота штифтом 36 шестерня 5 конической передачи.

Колесо конической передачи 6 посажено в осевую расточку блока цилиндров 10 и закреплено на оси 16, с помощью шпонки 35 колесо передает крутящий момент блоку

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

цилиндров. На оси 3 установлен блок цилиндров 10, с семью равномерно расположенными по окружности отверстиями-цилиндрами, оси которых параллельны оси блока цилиндров13.

Коническая передача предназначена для синхронизации вращения вала гидромашины и блока цилиндров.

В центральной расточке крышки 21 закреплена ось 3 с запрессованным на ее конце шарикоподшипником 31.

Штифт 11 удерживает ось от поворота в крышке 21. На шарикоподшипник установлен блок цилиндров 10 с семью равномерно расположенными по окружности отверстиями - цилиндрам.

Посадка блока цилиндров на внешнее кольцо шарикоподшипника 31 позволяет блоку "само устанавливаться", сохраняя постоянное прилегание поверхности его торца к "зеркалу" распределительного диска 9, что является одним из основных условий работоспособности гидромашины.

Предварительное поджатие блока цилиндров к "зеркалу" распределительного диска и последнего к крышке 21 осуществляется пружиной 18, установленной между блоком цилиндров и шарикоподшипником 31.

Во время работы блок цилиндров дополнительно прижимается к распределителю давлением рабочей жидкости. Положение распределителя фиксируется и удерживается от поворота вокруг оси штифтом 19.

Цилиндры 6лока 10 в основании переходят в дуговые отверстия, которые совмещаются с дуговыми отверстиями распределительного диска 9 и дуговыми отверстиями крышки 21. Дуговые отверстия крышки соединены с двумя каналами, выведенными на наружный торец крышки, которые служат для подсоединения магистралей гидросистемы.

Для нормальной работы гидромашины ее внутренние полости заполняются рабочей жидкостью, для заливки и слива которой в корпусе предусмотрены два резьбовых отверстия, закрытых резьбовыми пробками 31.

Если валу гидромашины придать вращение от постороннего двигателя и сообщить одну из полостей с наполнительным блоком, то гидромашина будет работать в режиме насоса.

Сила давления рабочей жидкости на каждый поршень через шатуны передается на фланец вала гидромашины в виде суммарной силы, которая вследствие наклона оси шатуна к продольной оси вала, раскладывается на осевую и окружную (тангенциальную).

Осевая сила воспринимается роликовым радиально-упорным подшипником, а окружная создает вращательный момент, под действием которого через коническую передачу вращательное движение передается блоку, который поочередно совмещает

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

отверстия цилиндров либо с дуговым отверстием распределителя, соединенным с напорной магистралью, либо с дуговым отверстием распределителя, которое соединено с всасывающей магистралью. При вращении вала поршни совершают возвратно-поступательные движения относительно блока цилиндров, причем поршни, входящие в цилиндры, выталкивают рабочую жидкость в напорную магистраль, а поршни, выходящие из цилиндров, всасывают рабочую жидкость.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

Расчет блока цилиндров

 

Определяем дезаксиал аксиально-поршневого насоса по формуле:

,

где - угол наклона оси блока цилиндров относительно оси вала;

,

Диаметр поршня :

,

где - рабочий объем насоса;

z =7 – число поршней;

, - безразмерные коэффициенты (; - для стали), принимаем , .

Полученный результат округляем по ГОСТ 6540-68 до .

 

Диаметр разноски отверстий в блоке цилиндров (рис. 2) [1] по формуле:

Ход поршня :

Толщина условной толстостенной трубы a и размера перемычки b:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

Рисунок 3 - Основные расчетные размеры блока цилиндров

 

Определение геометрических размеров блока цилиндров (рис. 4):

Наружный диаметр блока цилиндров :

Внутренний диаметр расточки в блоке цилиндров [1]:

Высота блока цилиндров :

,

где - ход поршня;

- ширина технологической проточки;

- ширина дна блока цилиндров;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

Максимальное давление :

Проверка блока цилиндров прочность:

,

где - напряжения растяжения стенок толстостенной трубы.

Проверка выполнения условия жесткости [1]:

,

где - расчетное значение деформации;

- модуль упругости материала блока цилиндров, ;

- коэффициент Пуассона, .

Сравниваем полученные значения и со значениями [ ]и [ ] соответственно.

Принимаем:

[ ]=100МПа;

[ ]=8мкм.

Рисунок 4 - Блок цилиндров

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

2.2. Расчет распределителя

 

Минимальная площадь окна блока цилиндров (рис.4):

,

где - допустимое значение скорости течения жидкости;

- максимальная подача одного поршня;

,

где - угловая частота вращения вала гидромашины;

- площадь поршня.

Площадь окна распределителя :

Радиус скругления окон [1]:

Принимаем конструктивно

Угол охвата окна в блоке цилиндров :

Угол охвата радиуса скругления окон :

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

,

 

Площадь окна блока цилиндров F_о :

Сравниваем площади окон блока цилиндров, получившаяся площадь больше минимально допустимой, следовательно, условие выполняется.

Ширина уплотняющего пояска :

,

где - коэффициент, показывающий, насколько сила, прижимающая блок цилиндров к распределителю, больше отжимающей силы.

Принимаем ширину уплотняющего пояска а₁ = 3,8(мм).

Далее проверяем условие: .Условие выполняется.

Определение геометрических размеров дренажной канавки распределителя:

Величина утечек :

где Q_И - идеальный расход

- фактический расход.

Фактический расход рабочей жидкости:

,

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

где - объемный КПД

Допустимая минимальная площадь дренажной канавки:

,

где [ ] - допустимая скорость течения жидкости в дренажной канавке не более

1,5 – 4 м/с.

Принимаем [ ]=4 .

Конструктивно принимаем глубину дренажной канавки b' и ширину дренажной канавки b" с условием, что площадь дренажной канавки F_к больше [F_к].

Угол охвата окна в распределителе [1]:

,

где угол 0,5^о-необходимое положительное перекрытие.

Определяем площадь окна распределителя

Допустимую минимальную площадь окна распределителя определяем по формуле :

,

где [ ] - максимально допустимая скорость движения жидкости в окне распределителя не более 15 м/с.

Принимаем [ ]=15 м/с.

Площадь окна распределителя определяем по формуле :

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

Проверяем условие, превышения расчётной величины площади окна распределителя F_r над допустимой минимальной площадью [F_r]. Условие выполняется.

Геометрические размеры распределителя (рис.6):

Рисунок 5 - Распределительный диск

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

2.3. Расчет конической передачи

 

Определяем момент, передаваемый конической передачей, для этого определяем объём блока цилиндров:

Определяем массу блока:

,

где – плотность материала блока.

.

Определяем объём отверстия под цилиндр:

.

Определяем массу материала из отверстия под цилиндр:

,

Определяем момент инерции блока цилиндров с учётом вычета момента инерции материала из семи цилиндров блока:

 

 

.

Определяем объём поршня:

где – длина поршня.

мм

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

где – длина втулки в отверстии блока цилиндров.

;

мм.

Определяем массу поршня:

где - плотность материала поршня;

Определяем момент инерции поршня:

Определяем объём шатуна:

где d_ш1 = 8 мм;

d_ш2 = 10 мм;

d_ш = 4 мм;

d₀ = 27 мм;

l_ш = 40 мм.

Определяем массу шатуна:

,

где - плотность материала шатуна;

.

Определяем момент инерции шатуна:

.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

Определяем момент инерции движущихся частей гидромашины:

,

.

Определяем момент инерционной нагрузки:

,

где – ускорение разгона ходовой части гидромашины при времени разгона t = 0,2 c.

.

Определяем момент сил трения на торце блока:

,

где - среднее значение удельного давления на распределителе;

f – коэффициент трения

- площадь уплотняющих поясков;

- площадь опорных поясков;

Определяем коэффициент трения:

,

где - динамический коэффициент вязкости;

- угловая скорость блока цилиндров.

 

Определяем площадь уплотняющих поясков:

.

Определяем площадь опорных поясков:

,

где d₅ = d_4­ + 0,6 = 53,6 + 0,6 = 54,2 мм

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

d₆ = 63 мм – внешний диаметр распределителя

Определяем диаметр внешней делительной окружности колеса:

,

где - крутящий момент на шестерне,

и – передаточное отношение

- для прямозубых колес

- допускаемое контактное напряжение:

Материал шестерни: сталь 40ХН улучшение и закалка (HRC=48…53)

Определим предел контактной усталости:

МПа

Коэффициент безопасности:

Базовое число циклов перемены напряжений

Принимаем Z_RZ_V = 1.

Допускаемое контактное напряжение для быстроходной шестерни:

(МПа)

Коэффициент концентрации нагрузки для прирабатывающихся колес:

,

где - коэффициент концентрации нагрузки, принимаем

X – коэффициент режима нагрузки, принимаем Х = 0,77

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

Задаемся числом зубьев шестерни:

Определяем число зубьев колеса:

Определим модуль зацепления на внешнем делительном диаметре:

Округляем модуль до ближайшего большего по ГОСТ 9560-60 ,5

При изменении модуля в результате округления измениться диаметр делительной окружности:

Внешний делительный диаметр шестерни:

Проверяем зубья колёс по напряжениям изгиба:

,

где – коэффициент концентрации нагрузки, принимаем

– коэффициент динамической нагрузки =1,12;

– коэффициент формы зуба = 4,5;

– эквивалентная окружная сила:

b = 0,285 ^.(d_e2 /(2 ^.sin 77,5 )) = 0,00394 м;

0,85.

(МПа)

Сравниваем с допустимым Условие выполняется.

Проверяем зубья по контактным напряжениям:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

,

где – – коэффициент динамической нагрузки = 1,10;

= 0,85.

Сравниваем с допустимым Условие выполняется. Конические шестерни выдерживают нагрузки.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЮУрГУ 151.00.00.00.00 ПЗ

2.4. Расчет валов

 

Определение сил, действующих на вал

Сила, действующая на один поршень, находящийся в полости высокого давления :

 

Осевая и радиальная составляющая силы (рис.7), действующей на поршень, соответственно:

 

 

Максимальная осевая и радиальная составляющие силы, действующей на вал, если у