Определение основных параметров гидропривода

ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

 

Фрагмент гидропривода поступательного движения представлен на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема гидропривода поступательного движения

 

Для расчета гидропривода, включающего гидроцилиндр двустороннего действия с одним штоком, заданными величинами являются:

– усилие R, приложенное к штоку гидроцилиндра;

– ход S поршня;

– длины трубопроводов l ₁, l ₂, с помощью которых соединяются элементы привода;

– время рабочего t _р и обратного (холостого) t _х хода поршня;

– рекомендуемый для использования в системе насос (регулируемый или нерегулируемый).

Решение задачи необходимо начать с определения давлений в полостях гидроцилиндра и выбора диаметров поршня и штока.

Обозначим полезные площади поршня в нештоковой и штоковой полостях гидроцилиндра соответственно через F ₁ и F ₂, а давления в этих полостях через P ₁ и P ₂:

;

,                                               (2.1)

где D и d – диаметры поршня и штока гидроцилиндра.

Уравнение равновесия поршня гидроцилиндра с одним штоком без учета сил инерции

,                                             (2.2)

где T – сила трения, приложенная к поршню.

Применительно к гидроприводу, представленному на рис. 2.1, давление P ₁ в поршневой полости

,

а давление P ₂ в штоковой полости

,

где P _н – давление, развиваемое насосом, МПа;

Δ P _{зол 1} и Δ P _{зол 2} – перепады давлений на гидрораспределителе, МПа;

P ₁ и P ₂ – перепады давлений в трубопроводах l ₁ и l ₂, МПа;

Δ P _др – перепад давления на дросселе, МПа;

Δ P _ф – перепад давления на фильтре, МПа.

Площади рабочих поверхностей поршня гидроцилиндра F ₁ и F ₂ определяются из соотношений

;

,                                                     (2.3)

где υ_пр, υ_пх – скорости поршня при рабочем и холостом ходе.

Преобразуем формулы (2.3) к виду

.

Расход жидкости, поступающий в рабочие полости гидроцилиндра, можно определить по формуле

,

где υ_п – скорость движения поршня гидроцилиндра, м/с.

Если расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр, при рабочем и холостом ходе одинаков, то

 и ,

поэтому

.

Из этого следует, что

,

Откуда

.                                                (2.4)

Следовательно, выражение (2.1) для определения площади рабочей поверхности поршня в штоковой полости гидроцилиндра примет вид

.                                        (2.5)

Подставляя выражения (2.1) и (2.5) площадей F ₁ и F ₂ в уравнение (2.2), сможем определить диаметр поршня гидроцилиндра:

или

.                   (2.6)

Следовательно, для определения диаметра поршня гидроцилиндра D необходимо найти силу трения T и перепады давлений. Сила трения T увеличивается с ростом давления жидкости в гидроцилиндре и находится в диапазоне T = (0,02...0,01) R.

Перепады давлений возможно определить по справочным данным, приведенным в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Справочные данные для определения перепадов давлений в гидроаппаратуре при номинальном расходе

Гидроаппаратура	Перепад давлений, МПа
Гидрораспределитель	0,20
Дросселирующий гидрораспределитель	0,30
Обратный клапан	0,15
Гидродроссель	0,30
Регулятор потока	0,30 – 0,50
Клапан редукционный	0,50
Гидроклапан давления	0,60
Фильтр для очистки рабочей жидкости	0,10

 

Применительно к гидроприводу, представленному на рис. 2.1, перепады давлений на золотниковом гидрораспределителе, гидродросселе и фильтре выберем следующие:

; ; .

Так как перепады давлений в трубопроводах на первой стадии расчета определить сложно, предварительно примем

.

В объемном гидроприводе, схема которого представлена на рис. 2.1, установлен нерегулируемый насос. Выбор насоса производится по номинальному давлению P* и подаче Q.

В зависимости от параметров выбранного насоса, в соответствии с давлением P _н, по формуле (2.6) находим диаметр D силового гидроцилиндра и в соответствии с ГОСТ 12447 - 80 расчетное значение диаметра округляем в большую сторону до ближайшего стандартного значения.

Стандартные диаметры цилиндров в соответствии с ГОСТ 12447 - 80, мм:

5; 8; 10; 14; 16; 18; 20; 25; 28; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 63; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200; 220; 250; 280; 320; 360; 400; 500; 630; 800.

Давление в гидроцилиндре назначается ориентировочно в зависимости от величины полезного усилия R.

При величине полезного усилия на штоке гидроцилиндра R = 10 - 20 кН давление в рабочей полости гидроцилиндра составит P _н ≤ 1,6 МПа; при R = 20 - 30 кН – P _н ≤ 3,2 МПа; при R = 30 - 50 кН – P _н ≤ 6,3 МПа; при R = 50 - 100 кН – P _н ≤ 10 МПа.

Основные параметры гидроцилиндров принимаются по ОСТ 22-1417 - 79.

Для штоков, работающих на сжатие, должно соблюдаться условие соотношения хода поршня и его диаметра: S < 10 D. При S > 10 D шток следует проверить на продольный изгиб. Величину заделки штока принимают равной диаметру D гидроцилиндра, а длину образующей поршня - 0,8 D. Толщину δ стенки гидроцилиндра можно определить по формуле Ляме:

,

а при  - по формуле

.

Допускаемые напряжения на растяжение для стали принимаются [σ] = 50 - 60 МПа (1·10⁶ Н/м²), для чугуна [σ] = 15 МПа (1·10⁶ Н/ м²). Коэффициент запаса прочности k = 1,25 - 2,5.

Далее определяется расход жидкости, поступающей в нештоковую (поршневую) полость силового гидроцилиндра:

,

где υ_пр – скорость перемещения поршня гидроцилиндра, м/с.

Подача насоса с учетом утечек рабочей жидкости определяется по формуле

,                                   (2.7)

где Δ Q _ц – утечки жидкости в силовом гидроцилиндре;

Δ Q _зол – утечки в золотниковом гидрораспределителе;

Δ Q _пк – утечки через предохранительный клапан;

z – число гидроцилиндров.

Утечки через предохранительный клапан принимаем Δ Q _пк = 0,1 Q _н.

Утечки в силовом гидроцилиндре Δ Q _ц приведены в таблице 2.2, в гидрораспределителе Δ Q _зол – в таблице 2.3.

Таблица 2.2 – Основные параметры гидроцилиндров

Наименование параметров, единицы измерения	Значения внутренних диаметров гидроцилиндров D, мм
	40	50	63	70	80	90	100	110	125
Номинальный расход Q, л/мин	20	25	40	50	50	50	80	100	100
Максимальное усилие на штоке, кН	7,75	12,0	18,8	23,7	31	39,2	48,5	58,6	75,8
Ход поршня, мм	200	200	200	300	400	630	630	630	800
Утечки Δ Q ц при давлении P = 10 МПа, см^3/мин	25	32	40	45	50	56	63	70	80

Таблица 2.3 – Значения расходов утечек рабочей жидкости Δ Q _зол

в гидрораспределителях

Диаметр условного прохода, мм	8	10	12	16	20	32
Значения утечек рабочей жидкости Δ Q зол при давлении P = 10 МПа, см^3/мин	50	100	150	200	250	300

 

Если P ₁ отличается от P* (номинального значения), то действительные утечки жидкости в силовом гидроцилиндре и в гидрораспределителе можно найти из соотношений

;

Подставим полученные значения Q _ц1, Q _ц, Q _зол, Q _пк в уравнение (2.7) и найдем Q _н. Технические параметры насоса определяют из справочной литературы и промышленных каталогов, представляемых заводами-изготовителями объемных гидромашин. Рабочий объем насоса определяется зависимостью

,                                                   (2.8)

где n – частота вращения вала насоса;

η_о – объемный КПД насоса.

В технических характеристиках насосов указаны номинальные значения объемного КПД η_о* при номинальном давлении P*. Если P н отличается от P*, то действительный объемный КПД можно найти из выражения

.

По расчетному значению объемного коэффициента полезного действия насоса η_о согласно (2.8) определяем рабочий объем q, в соответствии с которым выбираем насос. Затем уточняем величину номинального значения расхода рабочей жидкости, а также расход жидкости, проходящей через предохранительный клапан в гидробак.

Внутренний диаметр стальных трубопроводов и гибких рукавов высокого давления d _т определяют по формуле

, мм,                                              (2.9)

где Q – расход рабочей жидкости на рассматриваемом участке трубопровода, л/мин;

υ_рж – средняя скорость движения рабочей жидкости по трубопроводу, м/с.

Рекомендуемые средние значения скоростей движения рабочей жидкости по напорным трубопроводам приведены в таблице 2.4.

Значения средних скоростей движения рабочей жидкости в сливных и всасывающих трубопроводах рекомендуется выбирать из следующих числовых промежутков:

- всасывающих трубопроводов υ_рж = 0,5 - 1,5 м/с;

- сливных открытых систем υ_рж = 2 м/с.

 

Таблица 2.4 – Рекомендуемые значения скорости движения рабочей жидкости в напорных трубопроводах

, МПа	2,5	6,3	16	32	63	100
, м/с	2,0	3,2	4,0	5,0	6,3	10

 

Сечения дренажных трубопроводов выбирают в соответствии с паспортными данными гидроаппаратов и оборудования. Давление в дренажной системе не должно превышать 0,15 МПа.

Полученные расчетные значения внутренних диаметров трубопроводов округляются до ближайших стандартных диаметров по ГОСТ 8732–78, ГОСТ 8734–75 (размеры стальных бесшовных труб) и ТУ-22-31–74, ТУ-38-40534–75 (размеры рукавов высокого давления).

В гидроприводах строительных и дорожных машин применяются стальные бесшовные холоднодеформированные трубы по ГОСТ 8734–75, медные трубы по ГОСТ 617–72, алюминиевые трубы по ГОСТ 18475–82, латунные трубы по ГОСТ 494–76 и рукава высокого давления по ГОСТ 6286–73.

Стандартные значения внутреннего диаметра труб по ГОСТ 16516–80 соответствуют, мм: 1; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250.

По принятому стандартному диаметру определяется действительная скорость движения рабочей жидкости в трубопроводах:

, м/с,                                              (2.10)

Принятые и вычисленные значения скоростей движения рабочей жидкости, расходов и диаметров трубопроводов в пояснительной записке курсового проекта сводят в таблицу.

В соответствии с расчетными значениями расхода рабочей жидкости и ориентировочными величинами давлений осуществляют выбор гидроаппаратуры.

 

Выбор гидроаппаратуры

 

Согласно выбранной схемы гидропривода, а также учитывая значения расходов и давлений, произведем выбор гидроаппаратуры. Для конкретизации в качестве расчетного условно принят расход Q = 20 л/мин. Применительно к гидроприводу, представленному на рис. 2.1, необходимо выбрать предохранительный клапан, гидрораспределитель, дроссель и фильтр. Параметры выбранной гидроаппаратуры приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Параметры гидроаппаратов проектируемого гидропривода

Наименование гидроаппаратов	Марка (тип) гидроаппаратов	Расход номинальный, л/мин	Давление номи-нальное, МПа	Перепад давлений на гидроаппарате, МПа
Предохранительный клапан	Г52-22	20	6,3	0,15
Гидрораспределитель с ручным управлением	ПГ74-22	20	20	0,20
Гидродроссель	ПГ-77	20	20	0,30
Фильтр сетчатый	С42-51	16	0,63	0,10

Из таблицы 2.5 видно, что выбранные предохранительный клапан, гидрораспределитель с ручным управлением и дроссель соответствуют расчетному расходу, а фильтр имеет пропускную способность 16 л/мин, что меньше расчетного значения. Поэтому в гидросистему необходимо параллельно включить два фильтра. При этом перепад давлений на фильтрах

 МПа.

Здесь

 л/мин,

где n – число фильтров.

Таким образом, был произведен подбор гидроаппаратуры, которая удовлетворяет расчетным данным по расходу и давлению.