Проектирование гидропривода

Гидропривод содержит три исполнительных устройства: гидроцилиндр и два гидромотора. В задании указаны условия нагружения гидроцилиндра, момент сопротивления на рабочем органе, приводимом во вращение гидромотороми, а также скорость перемещения штока гидроцилиндра и частота вращения вала рабочего органа. Режим работы гидропривода - средний.

На рисунке 1 приведена циклограмма работы проектируемого гидропривода.

Из приведенной циклограммы видно, что в гидроприводе отсутствует совмещение операций, т.е. цилиндры и гидромотор работают не одновременно, а раздельно.

Температура окружающей среды, при которой должна быть обеспечена работоспособность системы, составляет ±35°С.

Рисунок 1- Циклограмма работы гидропривода

ВЫБОР НОМИНАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

В настоящее время для увеличения производительности и снижения металлоемкости машин, применяемых при производстве строительно-дорожных работ, требуется повышать рабочее давление жидкости в гидросистеме. Мы для расчетов принимаем давление Рном=20 МПа. (ГОСТ 12445-80).

РАСЧЕТ ГИДРОЦИЛИНДРА

Мы применяем гидроцилиндры с односторонним штоком, работающим на выдвижение. Диаметр гидроцилиндра определяется по формуле:

D,

где Fнаг - усилие на штоке гидроцилиндра, при выталкивании, Н;

- давление в поршневой полости, Па;

- давление в штоковой полости, Па;

- механический КПД гидроцилиндра;

ш- коэффициент мультипликации.

D=2=74•10-3 м.

В соответствие с ГОСТ 6540-68 диаметр цилиндров округляем в большую сторону. Принимаем D=75•10-3 м.

При вычислении диаметра механический КПД цилиндра принят равным [3], коэффициент мультипликации ш=1,65.

Принимаем объемные КПД цилиндра, распределителя, гидрозамка равными единице (не учитываем утечки рабочей жидкости на этих устройствах), определим подачу насоса, требуемую для питания гидроцилиндра:

Qц, (4.2)

где D-принятые диаметры гидроцилиндров, расход которых определяется, м;

- заданная скорость движения штоков гидроцилиндров, м/с;

Q3.14·(75·10-3) 2 0,06/4= 0,16·10-3 м3/с.

ВЫБОР ГИДРОМОТОРОВ

гидропривод гидронасос давление вал

Температурные условия эксплуатации гидропривода ±35°С. Следовательно, применяемые масла должны обеспечить работоспособность гидропривода при указанных значениях температуры окружающей среды. С целью снижения эксплуатационных затрат в качестве рабочей жидкости выбираем всесезонное минеральное масло марки ВМГЗ [1] (плотность с = 865 кг/м3).

Кинематическая вязкость масла ВМГЗ при температуре 60°С равна 8·10-6 м2/с. Учитывая, что минимальное значение кинематической вязкости для выбранного гидронасоса 207.32 равно 8·10-6 м2/с, предельное значение рабочей температуры масла 60°С.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ГИДРОПРИВОДА

При работе каждого из гидромоторов КПД гидропривода будет ниже, чем при работе гидроцилиндра. Это объясняется тем, что КПД каждого из гидромоторов ниже, чем КПД гидроцилиндра (у выбранных гидромоторов КПД равен 0,9). В связи с этим определим КПД гидропривода на режиме, когда работает гидромотор с большим моментом сопротивления на рабочем органе.

Расчетная схема гидропривода при работе гидромоторов представлена на рисунке 3.

КПД гидропривода будем определять при температуре масла, равной 60°С. Далее результаты расчетов будут использованы при анализе теплового режима гидропривода.

Вначале определим численные знания суммарных коэффициентов местных сопротивлений участков . В связи с отсутствием конструктивных схем трубопроводов, так как непосредственно конструкция гидропривода не разрабатывается, необходимо задаться типами местных сопротивлений, расположенных на каждом участке. Условно примем, что на каждом участке расположено по 2-3 местных сопротивления, на участке может быть и несколько однотипных сопротивлений. Так, например, будем считать, что на участке 1?-1?? (всасывающий трубопровод) расположены два местных сопротивления: вход в трубу (= 1) и резкий поворот трубы на 90°(колено) ( =1,1). Тогда суммарный коэффициент местного сопротивления для участка 1?-1?? будет составлять =1+1,1=2,1.

Результаты расчетов суммарных коэффициентов местных сопротивлений для остальных участков, через которые протекает рабочая жидкость, приведены в таблице 2.

В случае выполнения расчетов гидропривода в режиме работы одного из гидроцилиндров следовало бы определить также значения и для остальных участков.

Расчет потерь давления в местных сопротивлениях и на трение по длине определяем по следующему алгоритму.

При работе гидромотора по всем участкам (включая и 1?-1??) проходит расход жидкости Q1 = 2.5·10-3 м3/с. Длина и диаметр участка 1?-1?? следующие: l1 = 0,5 м; d1 = 52 мм (таблица 1).

Расчеты выполняем при максимальной рабочей температуре рабочей жидкости (ВМГЗ): = 60°С. Значение вязкости при этой температуре = 8·10-6 м2/с, плотность с = 865 кг/м3.

Таблица 2 - Результаты определения суммарных коэффициентов местных сопротивлений

Средняя скорость рабочей жидкости на участке 1?-1??:

= = 4·2.5·10-3 / (3,14·(52·10-3)2) = 1,118 м3/с.

Для определения коэффициента гидравлического трения вычислим число Рейнольдса:

=1,118·52·10-3 /(8·10-6) = 7655.

Режим течения турбулентный. Значение найдем по формуле Блазиуса:

= 0,3164 / 76550,25 ? 0,0338

Тогда потери давления на трение по длине на участке 1?-1??:

= 0.0338· (0,5 / 52·10-3) ·865 ·1,1182/ 2 = =195.1Па.

Потери давления в местных сопротивлениях:

= 0,5·2,1·865·1,1182 = 1259.89Па.

Суммарные потери давления на участке 1?-1??:

= 195.1+1259.89 = 1454.99Па.

Давление на входе в насос (вакуумметрическое):

= 1454.99 Па.

Аналогично определены потери давления в гидравлических сопротивлениях для всех остальных участков. Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Потери давления в гидравлических сопротивлениях при работе гидромотора

Значения , и , необходимые для выполнения расчетов, для соответствующих участков приведены в таблицах 2 и 3.

Потери давления на гидромоторах определяются по следующим формулам:

= 228.58·2·3,14 / (0,9·100·10-6) = 16 МПа.

Потери давления на гидрораспределителе = 0,4 МПа и на фильтре = 0,052 МПа.

Давление на выходе гидронасоса:

+= 16·106 + 12651,824+31629,561+31629,561+47000,339+48880,352+1291,562+60640,188+48287,557+48287,557+67403,730+67403,730+2255,535+0,4·106+0,052·106 =16950991 Па.

Из уравнения для мощности насоса имеем:

=(16950991+1454.99)·2.5·10-3/0,9=47.09 кВт.

Полезная мощность гидропривода при работе мотора равна:

/ 30 =228.58·2.28·3,14· 500/ 30 = 27.27кВт.

Полезная мощность на рабочем органе меньше на величину потерь редукторе (таким образом, потери в редукторе не учитываются при определении КПД гидропривода).

КПД гидропривода:

= 27.27 / 47.09 = 0,664.

ТЕПЛОВОЙ АНАЛИЗ ГИДРОПРИВОДА

Для тяжёлого режима работы значения и следующие: =0,7-0,9; = 0,5-0,7. Примем = 0,8, а = 0,6.

Среднее значение теплового потока за технологический цикл:

=(1 - 0,664)·0,6·0,8·47.09= 7.59 кВт.

С целью упрощения расчетов считаем, что тепловая энергия передается в окружающую среду только через стенки бака, т.е. .

Охлаждаемая поверхность гидробака

= 0,065· = 0,86 м2.

Тепловой поток, передаваемый в окружающую среду, равен:

= 15·0,86(60-35) = 322.5 Вт.

Коэффициент теплопередачи б принят равным 15 Вт/(м2 ·°С).

Таким образом, при температуре рабочей жидкости = 60°С и окружающей среды = 35°С через стенки бака в окружающую среду передается 0,3225 кВт. Необходимо же передавать = 7.59 кВт. Вводя оребрение бака, охлаждаемую поверхность можно увеличить до 35%, но это решение не позволит обеспечить требуемый температурный режим. Для обеспечения температуры масла = 60°С при температуре окружающей среды = 35°С необходимо установить теплообменник с принудительным обдувом. Примем скорость обдува = 10 м/с.

Тогда коэффициент теплопередачи теплообменника:

=45,2 Вт/(м2 ·°С).

Определим площадь поверхности теплоотдачи теплообменника:

= 6.43м2.

Таким образом, на сливе (после фильтра) необходимо установить теплообменник с принудительным обдувом и площадью поверхности теплоотдачи = 6.43 м2.