Глава 1. Жидкости для гидроприводов

Введение

Повышение технического уровня гидрофицированных металлур­гических машин основано на применении современного гидрооборудо­вания и средств гидроавтоматики, обладающих высокими основными параметрами и показателями надёжности.

К важнейшим показателям, характеризующим эксплуатационные свойства гидрооборудования данных машин, относятся диапазон регули­рования и работоспособность в широком интервале изменения темпера­тур воздуха и рабочей жидкости, а также возможность дистанционного и автоматического управления исполнительными механизмами машин.

При разработке данного пособия были приняты во внимание рабо­ты по разработке, созданию и применению гидроприводов на металлур­гических предприятиях городов Новотроицка и Магнитогорска. В част­ности, учтён опыт использования элементов и систем гидроприводов тех­нологических машин таких широко известных фирм, как «MANNESMAN REXROTH», «BOSH», «HITACHI», «MOOG» на Орско-Халиловском (ООО «Уральская сталь») и Магнитогорском металлургических комбина­тах.

Глава 1. Жидкости для гидроприводов

Требования к рабочим жидкостям гидроприводов

В гидравлических системах рабочая жидкость, кроме передачи энергии к рабочим органам машин, служит для смазывания узлов трения и отвода от них теплоты. Отсюда и разнообразие требований, предъяв­ляемых к рабочим жидкостям:

• хорошая смазывающая способность;

• незначительное изменение вязкости в широком темпера­турном диапазоне;

• большой модуль объёмного сжатия;

• нетоксичность и совместимость с материалами уплотне­ний и других элементов гидросистемы;

• химическая стабильность;

• хорошая теплопроводность;

• высокие противокоррозионные и диэлектрические свой­ства;

• пожаро- и взрывобезопасность;

• низкая стоимость и др.

В качестве рабочих жидкостей гидросистем применяют минераль­ные (нефтяные) масла, синтетические жидкости, водные эмульсии типа «масло в воде», эмульсии типа «вода в масле» и водно-гликолевые жид­кости.

Рабочие жидкости на нефтяной основе получили наибольшее распространение из-за высоких смазывающих и противокоррозионных свойств, довольно низкой стоимости.

Синтетические жидкости обладают высокотемпературными свой­ствами, негорючи, однако дороги, несовместимы с некоторыми материа­лами, обладают худшими смазывающими свойствами.

В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых типов жидко­стей, применяемых в промышленных гидроприводах.

Таблица 1.1

Гидравлический удар

Если при течении жидкости в трубопроводе быстро закрыть про­ходное сечение с помощью задвижки или другого аппарата, то произой­дёт резкое повышение давления, называемое гидравлическим ударом. При этом кинетическая энергия движущегося потока жидкости перейдёт в потенциальную энергию, и давление может во много раз превысить нормальное значение.

Повышение давления вычисляется по уравнению Н.Е. Жуковско­го:

,

где ρ    – плотность рабочей жидкости;

δ   – толщина стенки впод­водимом напорном трубопроводе;

v   – скорость движения жидкости в трубопроводе;

d _тр – диаметр напорного трубопровода;

Е – модуль объ­ёмной упругости жидкости;

Е _м – модуль упругости материала стенок трубопровода.

Эта формула справедлива, если трубопровод полностью пере­крыт. Если закрытие неполное, в результате которого скорость уменьша­ется от начального значения v ₀ до конечного v, то формулу Жуковского Н.Е. можно записать в виде

.

Величина а имеет размерность скорости и определяется

.

При значительных величинах Е _м (в стальных трубопроводах)

.

Способами борьбы с гидравлическим ударом являются:

• применение клапанов давления;

• применение гидравлических аккумуляторов;

• специальная конструкция кромки золотника, обеспечивающая постепенное перекрытие трубопровода;

• применение дросселей в линиях управления распределителей с гидравлическим управлением для плавного перекрытия трубо­проводов.

Кавитация

При движении жидкости в сужающейся трубе, типа трубки Вентури, в наиболее узком сечении её скорость достигает наибольшего значения, а давление будет минимальным. Предел уменьшения величины давления зависит прежде всего от того, что течёт по трубопроводу: газ или капель­ная жидкость.

Кипение капельной жидкости (вода, спирт, масло и др.) при заданной температуре может быть получено понижением давления. Давление, при котором происходит кипение жидкости, называется давлением парообра­зования р _к.

Величину давления парообразования р_к для различных жидкостей можно найти в физических справочниках. В качестве примера приведём величину р _к для воды:

t, °C	200	100	40	20	4
рю мм. рт. с m.	11660	760	55,3	17	4

Из приведённых данных видно, что при температуре 20° С вода за­кипает при давлении 17 мм рт. ст. Если давление в наиболее узком сече­нии трубопровода достигнет давления парообразования, то жидкость в этом месте начнет кипеть и в трубе при этом образуются полости, запол­ненные паром.

Закипание жидкости при пониженном давлении, возникающем в ре­зультате возрастания скорости потока, и образование в текущей жидкости полостей, заполненных паром или газом, приводит к кавитации.

Кавитация может происходить во всех капельных жидкостях, в том числе и в жидких металлах. Последнее иногда наблюдается при исполь­зовании жидких металлов в качестве теплоносителей на атомных элек­тростанциях.

Если после наиболее узкого сечения, в котором происходит кави­тация, последует расширение трубы, то основная масса жидкости на этом участке будет двигаться в виде свободной струи, окруженной пенообраз­ной смесью пузырьков пара и жидкости. Далее, ниже по течению, в неко­торой точке паровая зона замкнется на стенке, и поток жидкости заполнит всё сечение трубы.

Кавитация возникает не только при движении жидкости в тру­бопроводах, но и при внешнем обтекании тел, в частности, на лопастях гребных винтов, рабочих колёс гидравлических турбин и насосов. Жела­тельное увеличение скоростей вращения рабочих колёс насосов, гидрав­лических турбин приводит к тому, что скорости становятся настолько большими, что в некоторой области давление падает до давления парооб­разования, и возникает кавитация.

Появление кавитации всегда вызывает увеличение сопротивления, т.е. добавочную потерю энергии. Кроме этого, она приводит к разруше­нию металла и появлению кавитационных шумов. Последствия кавитации настолько существенны, что обычно при проектировании насосов, турбин и винтов лопасти рассчитывают так, чтобы на них не возникала кавита­ция.

Эрозия металла обычно происходит в местах, где кавитационная ка­верна замыкается. Природа разрушения металла еще недостаточно изуче­на, но можно утверждать, что разрушение происходит под действием очень высоких давлений (сотни МПа) и температур, возникаю­щих в жидкости при «схлопывании» пузырьков пара, а также химическо­го воздействия и, как утверждают некоторые авторы, электрических по­лей, возникающих в каверне.

В результате всех этих воздействий металл разъедается, поверх­ность приобретает губчатый вид. Процесс разрушения и поломки про­исходит очень быстро.

Шумы, возникающие при появлении кавитации, настолько сильны, что они могут служить причиной вибрации отдельных элементов машин, приводящих их к неустойчивой работе и даже разрушению.

При кавитации из-за образования пузырьков нарушается сплош­ность потока жидкости, что приводит к уменьшению сечения потока, увеличению потерь и снижению расхода. В лопастных насосах кавитация приводит к снижению подачи, напора, мощности и КПД.

Кавитация часто возникает во всасывающих гидролиниях в резуль­тате местного уменьшения давления ниже критического значения (оно приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Она сопровождается гидравлическими микроуда­рами и, как следствие, местным повышением температуры и давления, что вызывает разрушение деталей, появление вибраций, снижение КПД.

С кавитацией борются, уменьшая разрежение в зонах её возмож­ного появления, в частности, путём повышения давления. При этом при­меняют подпор во всасывающей линии насоса, а также эластичные спе­циальные разделители сред в баках насосных установок. Используют ма­териалы, стойкие против кавитационного разрушения, – бронзу, титан, коррозионно-стойкую сталь, повышая чистоту их обработки.

Гидростатическое давление

Давление измеряется следующими единицами:

• Паскаль (принято в системе СИ, основная единица измерения давления по ГОСТ РФ); Па = [Ньютон / м ²].

• Бар (единица, принятая в Европе); 1 Ва r = 0,1 МПа.

• Миллиметр ртутного столба.

• Метр водяного столба.

• Фунт – сила на квадратный дюйм - psi (единица, принятая в Се­верной Америке); 1 psi = 52,2 мм рт. ст.

• Килограмм-сила на квадратный сантиметр (единица измерения давления, широко применяемая в СССР);                   1 Ва r = 1, 02 кгс/ см ².

Рис. 1.2. Пружинный манометр

Под действием давления поступившей жидкости трубка, стремясь выпрямиться, через механизм приводит в движение стрелку, которая по шкале указывает величину давления. Иногда манометры снабжают механизмом, записывающим измеряемое давление.

Для измерений давления ниже атмосферного (разрежений) применяют жидкостные и пружинные приборы, называемые вакуумметрами,прин­цип действия которых аналогичен манометрам.

Рис. 2.1. Схема гидродомкрата

Так как давле­ние от приложенной внешней силы по за­кону Паскаля равно­мерно распространя­ется во все стороны, то под действием си­лы F ₁ жидкость вы­тесняется в соседний сосуд под давлением р = F ₁ / S ₁ и действует на поверхность поршня площадью S ₂ с силой, рав­ной F ₂ = F ₁ · S ₂ / S ₁, при этом

.

Рассмотрим случай, когда два поршня соединены друг с другом (рис. 2.2). Данный гидравлический мультипликатор применяется для повышения давления в отдельных элементах гидросистемы, например, в различных приспособлениях.

При этом на поверхность площадью S ₁ действует давление р ₁ и возникает сила F ₁ которая через шток передаётся на поверхность площа­дью S ₁. В результате возникает давление: р₂ = F₁ / S ₂, т.е.

, или .

Следовательно, при пе­редаче давлений их отношение обратно пропорционально отношению площадей поршней.

Гидравлический пресс

В практике существуют гидравлические машины, действие кото­рых основано на применении законов гидромеханики, в частности, на за­коне Паскаля. На рис. 2.5 представлена схема простейшего гидравличе­ского пресса. С помощью такого устройства можно получить значительный выигрыш в силе. Гидравлический пресс состоит из следующих ос­новных частей: рычага 1, малого цилиндра 2 с поршнем диаметром d, большого цилиндра 3 с поршнем диаметром D. Прикладывая к рычагу силу Q, действуем на малый поршень силой P ₁.

Рис. 2.5. Гидравлический пресс

В результате этого жидкость сжимается и давление передаётся на поршень большего цилиндра. Сила давления на поршень диаметром D равна Р ₂. Зная:

соотношения длин рычагов а, b;

диаметры цилиндров;

коэффициент полезного действия пресса, учитывающий потери на трение (η = 0,8…0,85),

можно получить расчетную формулу гидравлического пресса в виде:

.

Типы трубопроводов

Гидравлическими линиями называют устройства, предназначенные для объединения элементов гидропривода в единую систему.

В гидроприводе различают следующие типы линий:

• Всасывающая – линия, по которой жидкость движется к насосу от бака.

• Напорная – линия, по которой рабочая жидкость движется от насоса или гидроаккумулятора к гидродвигателю.

• Сливная – линия, по которой рабочая жидкость сливается в гидробак.

• Управления – это линия, по которой жидкость движется к устройствам управления или регулирования.

• Дренажная – линия, предназначенная для отвода утечек от гидромашин и гидравлических агрегатов в бак.

Гидравлические линии представляют собой жёсткие стальные тру­бопроводы или гибкие рукава низкого и высокого давлений.

Жёсткие трубопроводы, рассчитанные на высокое давление, изго­товляют преимущественно из бесшовных цельнотянутых труб, выпол­ненных из сталей марок 10 или 20.

Для трубопроводов управления или подключения контрольных приборов в стеснённых условиях монтажа применяют медные трубы, для гидросистем с давлением до 2 МПа – трубы из полимерных материалов.

Гибкими трубопроводами подводят рабочую жидкость к подвиж­ным гидроэлементам. Их также используют как промежуточные гибкие звенья для присоединения к гидроаппаратам жёстких трубопроводов. Это позволяет компенсировать неточность сборки и уменьшать изгибающие нагрузки на элементы соединений.

В качестве гибких соединений применяют рукава высокого давле­ния (РВД). Рукав имеет внутренний резиновый слой, затем хлопчатобумажный, металлическую оплётку и внешний резиновый слой. Их основные размеры определяет ГОСТ 6286-73. В зависимости от количества металлических оплёток РВД делятся на три типа:

• I тип – с одной оплёткой, рассчитанной на давление до 20 МПа.

• II тип      – с двойной оплёткой (на давление до 30 МПа).

• III тип     – с тройной оплёткой, применяется для высоких давлений при внутреннем диаметре до 40 мм.

Трубопроводы соединяют с гидроэлементами и между собой с по­мощью арматуры, которая должна обеспечивать надёжное уплотнение соединений, легкость монтажа и демонтажа. Выбор арматуры определя­ется давлением в гидросистеме, параметрами трубопровода, условиями эксплуатации. Соединения трубопроводов могут быть неподвижными и подвижными.

Для соединений гидролиний мобильных машин и навесного обо­рудования применяют запорные устройства, которые позволяют отсоеди­нять рабочее оборудование без слива рабочей жидкости из гидросистемы.

Различные варианты установки гибких трубопроводов представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Соединения гибких трубопроводов

В собранном запорном устройстве (рис. 3.2) упирающиеся один в другой шарики 8 отведены от сёдел в корпусах 9 и 10 и открывают путь потоку жидкости (показано стрелками) из правой полости в левую.

Рис. 3.2. Соединения трубопроводов:

а - жестких; б - эластичных; в - запорное устройство; г - разрывная муфта.

1- штуцер; 2 - гайка; 3 - втулка; 4 — труба; 5 - ниппель; 6 - рукав высокого давления; 7, 14 - пружины; 8 - шарик; 9, 10, 12. 16 - корпуса; 11 -крестовина; 13 - фиксатор; 15 – втулка.

Для отсоединения трубопровода отвёртывают накидную гайку 2 и разводят корпуса 9 и 10. Шарики 8 под действием пружин 7 прижимают­ся к сёдлам и запирают внешние полости корпусов 9, 10 от вытекания жидкости и проникновения воздуха и грязи в систему.

Для соединения гидросистемы с прицепными машинами применя­ют разрывные муфты. Корпуса 12 и 16 разрывной муфты в отличие от запорного устройства соединены запорной втулкой 15 с шариковым фик­сатором 13. Шарики фиксатора, расположенные в гнездах корпуса 16, выступают и заходят в кольцевую лунку корпуса 12, удерживая их от разъединения.

При случайном отрыве прицепной машины от базовой, рукава вы­сокого давления натягиваются и перемещают оба корпуса относительно втулки 15 до выхода шариков фиксатора 13 из её расточки. В результате муфта разъединяется. Шарики 8 запирают полости корпусов 12 и 16, а втулка 15 под действием пружины 14 возвращается на место.

Неподвижные соединения трубопроводов в гидросистемах наиболее распростране­ны.

Коническое соединение с резиновым кольцом применяют для тру­бопроводов высокого давления, шароконусное соединение – для подклю­чения рукавов высокого давления.

Развальцовку трубы применяют преимущественно в системах управления. В трубопроводах низкого давления, например, дренажных и сливных, гибкий шланг крепят к ниппелю хомутом.

Арматурой с медными и резиновыми уплотнениями соединяют трубопроводы с гидроэлементами. Штуцер и корпус гидроаппарата уп­лотняют медным кольцом, а также с помощью конической резьбы или резинового кольца.

Вращающееся соединение предназначено для передачи рабочей жидкости от насосов, расположенных на неподвижном основании (плат­форма металлургического манипулятора, шасси кранов), гидроаппаратам и гидродвигателям, находящимся на поворотной платформе, и в обрат­ном направлении – от гидроаппаратов и гидродвигателей в бак.

Расчёт трубопроводов

Рассмотрим поперечное сечение трубы (рис. 3.3) с внутренним диа­метром d и длиной L, которая находится под действием внутреннего гид­ростатического давления.

Рис. 3.3. Схема к определению толщи­ ны стенки трубопровода

Задача определения толщины стенок трубы сводится к нахождению силы Р, стремящейся оторвать одну половину трубы от другой по линии АВ, чему противодействует сила Г – сопротивление материала стенок трубы. Сила Р – это равнодействующая сил, действующих нормально к внутренней поверхности трубы. Найти эту равнодействующую можно, если заменить давление на криволинейную поверхность давлением на плоскость (в данном случае на диаметральную плоскость АВ).

Если давление жидкости на единицу площади равно р, то на всю пло­щадь S оно будет составлять:

P = p · S = p · d · L.

Сила Т, выражающая сопротивление материала стенки трубы, опреде­ляется размерами поперечного сечения стенки трубы и допускаемым на­пряжением разрыву её материала, т.е.

T = δ ·[σ_p]· L,

где δ    – толщина стенки трубы.

Так как             Р = 2 Т (два сечения), то   Р = р · d · L = 2[σ_р] · δ · L.     Тогда

.

Расчётную толщину стенок следует увеличить с учётом неточности отливки, прокатки, коррозии и т.п., на величину а:           а = 0,5…3 мм,        тогда

.

При уточнённых расчётах толщины стенки трубопроводов ис­пользуют методы расчёта по предельному состоянию. Наиболее широко в данном случае применяются расчёты по стандартам SAE и DIN. В стандарте SAE используется уравнение Барлова:

,

где δ _V     – расчетная толщина стенки, мм;

d ₁     – уточнённый внутренний диаметр трубы или гильзы гид­роцилиндра, мм;

р_р – расчётное давление, максимально возможное внутреннее избыточное давление с учётом всех предполагаемых рабочих состояний, включая гидравлический удар (по формуле Н.Е.Жуковского), бар;

R_m – показатель прочности, Н/мм ². По стандартам SAE в дан­ном случае в качестве показателя прочностных свойств используется ми­нимальное сопротивление разрыву материала трубы или гильзы цилинд­ра R_m. Для сталей минимальный предел прочности при растяжении R_m = 300…500 Н/мм ²;

n – коэффициент запаса прочности:

п = 4      – для нормальных условий работы,

п = 6 – для значительных пиков по гидравлической и механической нагрузке;

п = 8 – для экстремальных рабочих условий, связанных с опасно­стью применения.

При окончательном определении толщины стенки гильзы δ _0К необ­ходимо учитывать два других фактора, а именно:

• занижение толщины стенки (минусовый допуск) —    c₁;

• износ за счёт коррозии — с₂.

.

Если занижение толщины стенки указывается в %, то 8 может быть рассчитано по уравнению:

.

Для бесшовных стальных труб диаметром менее 130 мм значение C₁ принимается равным 9%. Для сварных стальных труб диаметром более 10 мм – C₁ = 0,5 мм.

 

 

Введение

Повышение технического уровня гидрофицированных металлур­гических машин основано на применении современного гидрооборудо­вания и средств гидроавтоматики, обладающих высокими основными параметрами и показателями надёжности.

К важнейшим показателям, характеризующим эксплуатационные свойства гидрооборудования данных машин, относятся диапазон регули­рования и работоспособность в широком интервале изменения темпера­тур воздуха и рабочей жидкости, а также возможность дистанционного и автоматического управления исполнительными механизмами машин.

При разработке данного пособия были приняты во внимание рабо­ты по разработке, созданию и применению гидроприводов на металлур­гических предприятиях городов Новотроицка и Магнитогорска. В част­ности, учтён опыт использования элементов и систем гидроприводов тех­нологических машин таких широко известных фирм, как «MANNESMAN REXROTH», «BOSH», «HITACHI», «MOOG» на Орско-Халиловском (ООО «Уральская сталь») и Магнитогорском металлургических комбина­тах.

Глава 1. Жидкости для гидроприводов