Проектирование гидропривода

Проектирование гидропривода

Содержание

1. Определение основных геометрических параметров исполнительных механизмов

.1 Расчет гидромотора

.2 Определение основных геометрических параметров гидроцилиндров

.3 Определение толщины стенки ГЦ

.4 Расчет винтов на прочность

. Диаграмма скоростей движения штоков гидроцилиндров и вращения вала гидромотора

. Диаграмма потребления расходов исполнительными механизмами

. Диаграмма требуемого давления в полостях исполнительных механизмов и давления на выходе насосной станции

. Гидравлическая схема системы

. Гидравлические расчеты и подбор оборудования

.1 Условные проходы и подбор трубопроводов

.2 Подбор гидроаппаратуры

.3 Расчет утечек в гидросистеме

.4 Расчет потерь давления в гидросистеме

.5 Подбор насоса

.6 Расчет и подбор аккумулятора

.7 Выбор приводного электродвигателя

. Тепловой расчет системы

. Расчет торможения гидроцилиндра В (массовая нагрузка 1000 кг)

1. Определение основных геометрических параметров исполнительных механизмов

гидропривод шток геометрический механизм тепловой

1.1 Расчет гидромотора

Определим потребляемую мощность вращающим гидромотором:

[1]

где M_H - крутящий момент, преодолеваемый гидромотором;

n - частота вращения вала.

Определим рабочий объем гидромотора:

[2]

Выбираем аксиально-поршневой гидромотор 310.25.13.00 АО «ПСМ»:

Номинальное давление: P=20Мпа;

Номинальный рабочий объем: Vo=112см;

Номинальный крутящий момент на валу мотора: M=338H м;

Частота вращения вала: n=50-1500 об/мин.

1.2 Определение основных геометрических параметров гидроцилиндров

Требуемая поршневая площадь равна:

[3]

где A_п - площадь поршневой полости цилиндра;

F_нагр - обеспечиваемое усилие гидроцилиндра;

P_пит - давление питания гидросистемы;

 - КПД гидроцилиндра, равен 0,9;

 - КПД гидросистемы, равен 0,75.

Рисунок 1 - Схема гидроцилиндра

Гидроцилиндр В:

.

Из формулы Эйлера найдем диаметр штока:

[4]

где Е - модуль упругости; для стали Е=2,1·10⁵МПа;

J - момент инерции штока; J=0,0491·d ⁴, d - диаметр штока;

l - длина нагруженного участка цилиндра;

λ - коэффициент приведения длины (рисунок 2).

;

где К_з - коэффициент запаса по прочности; К_з=2,5…3,5.

Минимально допустимый диаметр штока определяется из соотношения:

[5]

Рисунок 2

Выбираем гидроцилиндр В марки CDH2 фирмы Rexroth.

Параметры гидроцилиндра:

Номинальное давление: 25МПа

Диаметр поршня: 50мм

Диаметр штока: 32мм

Ход поршня: 0,5м

Максимальная скорость поршня: 0,5м/с.

Гидроцилиндр С аналогичен.

Определим площади поршневой и штоковой полостей.

Определим площадь штока.

1.3 Определение толщины стенки ГЦ

Цилиндрическую зону, достаточно удаленную от дна и опорного фланца, допустимо рассматривать как толстостенную трубу и рассчитывать по формулам Ляме. Т.к. на цилиндр действует только внутреннее давление P, то в стенках его возникают следующие напряжения:

радиальные напряжения:

[6]

окружные напряжения:

[7]

осевые напряжения:

[8]

где r_н и r_в - соответственно, наружный и внутренний радиусы гидроцилиндра.

По энергетической теории прочности эквивалентное растягивающее напряжение в стенках гидроцилиндра s_экв можно определить по следующей формуле:

[9]

Максимальное напряжение будет на внутренней стенке цилиндра (r=r_в):

[10]

Материал корпуса гидроцилиндра - Сталь 40Х, для которой допускаемые напряжения при растяжении [s_р]=155 МПа (при пульсирующей нагрузке).

σ=r_н-r_в=53-50=3 мм. - толщина стенки гидроцилиндра

1.3 Выбор материалов

Выбираем следующий материал:

гильза - сталь 45 ГОСТ 1050-74;

шток - сталь 40Х ГОСТ 4543-71;

поршень - сталь 40Х ГОСТ 4543-71;

крышки - сталь 45 ГОСТ 1050-74;

втулка антифрикционная - БрАЖ9-4 ГОСТ18175-78.

1.4 Расчет винтов

Количество и диаметр винтов подбираем с учетом усилия, создаваемого жидкостью.

Сталь 3: .

, ,

гдекоэффициент запаса.

,

.

Примем .

.

;

.

Примем .

2. Диаграмма скоростей движения штоков гидроцилиндров и вращения вала гидромотора

Определим угловую скорость вращения вала гидромотора:

Определим скорости движения штоков гидроцилиндров:

[13]

где S - ход поршня;

t - время работы.

Время работы поршня при выдвижении и задвижении одно и то же, то .

Рисунок 3 -Диаграмма скоростей движения штоков гидроцилиндров

3. Диаграмма потребления расходов исполнительными механизмами

Определим потребной расход гидромотора:

[14]

гдеобъемный КПД гидромотора;

Потребный расход находится из формулы:

[15]

гдеS - площадь поршневой или штоковой полости;

v - скорость движения поршня при прямом или обратном ходе.

Рисунок 4 - Диаграмма потребления расходов гидроцилиндрами

4. Диаграмма требуемого давления в полостях исполнительных механизмов и давления на выходе насосной станции

Определим требуемое давление в полости гидромотора:

[16]

где КПД гидромотора, принимаем .

[17]

где нагрузка, преодолеваемая штоком гидроцилиндра;

площадь.

Рисунок 5 - Диаграмма требуемого давления в полостях гидроцилиндров

5. Гидравлическая схема системы

Рассмотрим возможные насосные станции.

Насосно-аккумуляторная станция позволяет установить насос небольшой производительности, работающий на номинальную подачу весь цикл, но также необходима установка аккумулятора.

Определим минимальную потребную мощность насосной станции, пренебрегая потерями давлений и утечками:

[18]

Насосная станция постоянной производительности необходима установка насоса большой производительности, при этом большая часть рабочей жидкости будет уходить на слив.

Минимальная потребная мощность насосной станции:

[19]

Насосная станция переменной производительности необходима установка регулируемого насоса большой производительности, при этом насос будет работать на номинальную подачу короткий промежуток времени.

Минимальная потребная мощность насосной станции:

[20]

Многонасосная станция (ступенчатая) необходима установка минимум двух насосов, при этом насос большей производительности будет работать короткий промежуток времени и должен обладать высоким быстродействием.

Минимальная потребная мощность насосной станции:

[21]

Анализ рассмотренных насосных станций, показывает, что наиболее экономичной является насосно-аккумуляторная станция. И также, именно ее рекомендуют, когда расход в системе является переменным [7].

Таким образом, применяем пневмогидравлический аккумулятор. Что позволит обеспечить достижение максимального кратковременного расхода рабочей жидкости на первом шаге работы гидросистемы, следовательно, установить насос небольшой производительности и двигатель небольшой мощности.

Гидравлическая схема представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Гидравлическая схема системы

6. Гидравлические расчеты и подбор оборудования

6.1 Условные проходы и подбор трубопроводов

От выбора значений внутреннего диаметра гидролинии в значительной степени зависят потери энергии в процессе работы гидропривода, а также масса и некоторые другие характеристики. На практике исходят из условия обеспечения движения в ней рабочей жидкости со скоростью, не превышающей некоторые допустимые значения. Для номинального давления питания P_п=10 МПа примем v_доп=3,5 м/с.

Условный проход d_y будем искать по формуле:

[22]

Условные проходы гидроцилиндров:

Условный проход напорной и сливной линий:

Полученные значения округляем до ближайших стандартных значений условных проходов по ГОСТ 16516-80:

В качестве жестких трубопроводов в гидроприводах применяют стальные бесшовные холоднодеформированные трубы по ГОСТ 8734-75.

Подберем трубы для гидроцилиндров. Для этого сначала рассчитаем минимальную толщину стенки по формуле:

[23]

где d - внутренний диаметр трубопровода, мм;

σ_вр - предел прочности материала трубопровода, для стали 45 σ_вр=589МПа;

K_δ - коэффициент безопасности, для систем с пульсацией давления K_δ=6.

Принимаем для гидроцилиндров А и В - .

Для гидромотора - .

Для остальных трубопроводов -

6.2 Подбор гидроаппаратуры

Распределитель Р1

Расход .

Подбираем трехпозиционный распределитель с электрическим управлением и пружинным возвратом 1РЕ10.44/УХЛ4 по ТУ2-053-1815-86 [5, с. 82].

Технические данные:

Распределитель Р2

Расход .

Подбираем трехпозиционный распределитель с электрическим управлением и пружинным возвратом 1РЕ203-АЛ1-45В24УХЛ4 по ТУ2-053-1815-86 [5, с. 82].

Технические данные:

Регуляторы потока РП1 и РП2

Расход .

Подбираем двухлинейный регулятор расхода с обратным клапаном МПГ55-32М по ТУ3-053-1790-86 [5, с. 133].

Технические данные:

Обратные клапана КО1, КО2, КО3, КО4 и КО6

Расход .

Подбираем обратный клапан резьбового присоединения Г51-35 по ТУ2-053-1649-83 [5, с. 98].

Технические данные:

Предохранительные клапана КП1, КП2 и КП3

Подбираем клапан с электроуправлением для разгрузки насоса нормально открытый МКПВ-10/1С3П1.УХЛ4 по ТУ2-053-1737-85 [5, с. 116].

Технические данные:

Фильтр напорный Ф1

Подбираем фильтр 1ФГМ32-10К по ТУ2-053-1778-86 [5, с. 273].

Технические данные:

Фильтр сливной Ф2

Подбираем фильтр RFBN/HC0160G10D1.X/L24 фирмы Rexroth. [8, с. 86].

Технические данные:

Реле давления РД1 и РД2

Подбираем реле исполнения 3 по ГОСТ 26005-83 [5, с. 280].

Технические данные:

Манометры МН1 и МН2

Подбираем манометр МТП-25-1,5 по ГОСТ 2405-80 [5, с. 285].

Технические данные:

Синхронизатор расхода

Шестеренный синхронизатор потока (двухсекционный) серии L группы 2 фирмы HydraPac.

Технические данные:

6.3 Расчет утечек в гидросистеме

Расчет утечек проводится на каждом участке диаграммы работы гидросистемы отдельно, в зависимости от того, какие агрегаты работают в данный момент. Утечки гидроаппаратуры приведены в технических данных (пункт 6.2). Утечки в гидроцилиндрах находятся из объемного КПД. Примем объемный КПД всех гидроцилиндров η_v=0,98.

-1

1-11

11-21

21-22

Построим диаграмму расхода потребляемого системой (рисунок 7).

Рисунок 7 - Диаграмма потребляемого системой расхода.

.4 Расчет потерь давления в гидросистеме

Потери давления в трубопроводе складываются из потерь давления, вызванных местными сопротивлениями на гидроаппаратуре (приведены в пункте 6.2) и потерь, вызванных трением жидкости в трубопроводе (потери по длине) в сливной и напорной линиях:

[24]

Потери по длине определяются по формуле:

[25]

где L - длинна трубопровода, для напорной и сливной линий принимаем L=1м;

d_тр - диаметр трубопровода, d_тр=32 мм (пункт 6.1);

ρ - плотность рабочей жидкости, принимаем масло ИГП-30 по ТУ 38.101413-97 ρ = 885 кг/м³ [6, с. 343].

λ - коэффициент гидравлического трения.

Формулу для нахождения коэффициента гидравлического трения следует выбирать в зависимости от того, в какой промежуток попадает число Рейнольдса Re:

[25]

[26]

[27]

[28]

где k - относительная шероховатость труб.

Коэффициент k находится по формуле:

где Δ - эквивалентная шероховатость труб, для стальных бесшовных труб принимаем Δ=0,05 мм.

Число Рейнольдса будем вычислять по формуле:

[30]

где ν - кинематическая вязкость рабочей жидкости, для масла ИГП-30 кинематическая вязкость при рабочей температуре t˚ = 40˚С ν₄₀ = 45 мм²/с.

Для каждого участка диаграммы работы гидросистемы определим сначала потери по длине и общие потери давления.

-1

Число Рейнольдса (линия нагнетания):

Ламинарный режим течения, находим λ по формуле [25]:

Линия слива (расход слива Q=69,6 л/мин):

Потери по длине:

Потери на трение в цилиндре:

Общие потери:

-11, 11-21

Число Рейнольдса (линия нагнетания):

Ламинарный режим течения, находим λ по формуле [25]:

Линия слива (расход слива Q=5,16 л/мин):

Потери по длине:

Общие потери:

-22

Число Рейнольдса (линия нагнетания):

Ламинарный режим течения, находим λ по формуле [25]:

Линия слива (расход слива Q=117,8 л/мин):

Потери по длине:

Потери на трение в цилиндре:

Общие потери:

Построим диаграмму давлений, на которой обозначим вычисленные потери (рисунок 8):

Рисунок 8 - Диаграмма требуемых давлений на выходе насосной станции

6.5 Подбор насоса

Уточним значение средней требуемой подачи системы по формуле (16):

Выбираем шестеренный насос наружного зацепления 1PF2G2-4X/014RС20BK производства Rexroth [6, с. 37].

Технические данные:

Приводной двигатель возьмем на синхронную частоту вращения n=1500. Учитывая скольжение асинхронного электродвигателя (примем s=2%) и объемный КПД насоса (примем η₀=0,95) посчитаем подачу насоса:

Отобразим на диаграмме потребляемого системой расхода подачу выбранного насоса (рисунок 8).

Рисунок 9 - Диаграмма потребляемого системой расхода и подача насоса.

.6 Расчет и подбор аккумулятора

Зарядка и разрядка аккумулятора происходит довольно быстро, поэтому считаем процесс адиабатическим. Требуемый полезный объём аккумулятора находится по формуле:

[31]

Полный объем аккумулятора найдем по формуле:

[32]

где Р_min - минимальное давление на выходе аккумулятора, основываясь на диаграмме (рисунок 8) выбираем Р_min=10 МПа;

Р_з - давление зарядки аккумулятора, рекомендуют брать 0,7..0,9 Р_min, принимаем Р_з=9 МПа.

МПа;

k - показатель адиабаты, для воздуха k=1,4;

Р_max - максимальное давление, чем оно выше, тем меньше будет аккумулятор, однако слишком высокое давление плохо сказывается на гидроаппаратуре и требует насос на высокое давление и, соответственно более мощного приводного двигателя. .

Выбираем пневмогидравлический аккумулятор A2-30-A-05G-BN-M-10 фирмы Vickers [8, с. 55].

Технические данные:

Уточним значение максимального давления. Для этого выразим из формулы [32] значение Р_max:

[33]

Минимальный объем жидкости в аккумуляторе находится по формуле:

[34]

Рисунок 10 - Изменение расхода в аккумуляторе

Рисунок 11 - Изменение рабочего объема аккумулятора

Рисунок 12 - Изменение рабочего давления в аккумуляторе

.7 Выбор приводного электродвигателя

Минимальная требуемая мощность электродвигателя находится по формуле:

[35]

где P_max - максимальное давление, на которое будет работать насос, из предыдущего пункта P_max=23,55 МПа;

η_н - общий КПД насоса, принимаем η_н=0,92;

η_эд - КПД электродвигателя, принимаем η_эд=0,9.

Выбираем асинхронный электродвигатель АИР160S4 [2, с. 805].

Технические данные:

7. Тепловой расчет системы

Потери мощности в гидроприводе приводят к нагреву рабочей жидкости и системы в целом. Следует провести проверочный тепловой расчет.

Превышение Δt, °С, установившейся температуры масла t_уст над температурой окружающей среды t_о.с.:

[36]

где ΔN - потери мощности, Вт;

A_Σ - суммарная площадь поверхности гидропривода, м²;

k - коэффициент теплопередачи элементов гидропривода от рабочей жидкости в окружающую среду, при отсутствии интенсивной циркуляции воздуха k=17,5 Вт/м²·°С.

Потери мощности находятся как разность затраченной и полезной мощностей:

[37]

Затраченная мощность находится по формуле:

где Q - расход насоса;

Р - давление в системе.

Полезная мощность:

[39]

где m - гидроцилиндр.

Потери мощности:

Суммарная площадь поверхности гидропривода складывается из:

[40]

где  - площадь поверхности аппаратуры, м², примем ;

 - площадь поверхности трубопроводов, м²;

 - площадь поверхности гидроцилиндров, м²;

 - площадь поверхности аккумулятора, м²;

 - расчетная площадь поверхности бака, м².

Площадь трубопровода находится по формуле:

[41]

Площадь поверхности гидроцилиндров:

[42]

Площадь поверхности аккумулятора:

[43]

где  - высота аккумулятора, ;

 - наружный диаметр аккумуляторов, .

Для практических расчетов площади поверхности бака применяется формула:

[44]

где  - объем бака, по рекомендациям , примем .

Подставляем все найденные площади в формулу [38] и находим суммарную площадь:

По формуле [34] находим температуру:

Допустимая температура масла 55, следовательно, теплообменник не требуется.

8. Расчет торможения гидроцилиндра В (массовая нагрузка 1000 кг)

Уравнение сил:

[45],

гдеM - масса груза;

 ускорение;

 коэффициент динамического трения.

Значение расходов в полостях:

 - расход в поршневой полости.

Список литературы

1.   Абрамов Г. Г. «Справочник молодого литейщика», 2е изд., переработанное и дополненное: - М. «Высшая школа» 1983 - 205 с.

2.       Анурьев В. И. Справочник конструктора - машиностроителя: том 3 - 5е изд. переработанное и доп. - М. : Машиностроение 1978 - 557 с

.         В. А. Марутов, С. А. Павловский «Гидроцилиндры» - конструкции и расчет: - издательство М. : Машиностроение 1966 - 169 с.

.         Гойдо М.Е. Теория и проектирование гидроприводов: Учебное пособие.- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998.-255 с.

.         Свешников В. К. «Станочные гидроприводы» Справочник. - 3е изд., переработанное и доп. - М. : Машиностроение 1995. - 448 с.

.         Свешников В. К. Гидрооборудование: Международный справочник. Книга 1. Насосы и гидродвигатели: номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость. Издательский цент «Техинформ» МАИ - 2001 - 360 с.: ил.

.         Свешников В. К. Гидрооборудование: Международный справочник. Книга 2. Гидроаппаратура: номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость. Издательский цент «Техинформ» МАИ - 2002 - 508 с.: ил.

.         Свешников В. К. Гидрооборудование: Международный справочник. Книга 3. Вспомогательные элементы гидропривода: номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость. ООО «Издательский цент «Техинформ» МАИ» - 2003 - 445 с.: ил.