Расчет простых объемных гидроприводов

Исходными данными для расчета простого объемного гидропривода являются: принципиальная расчетная схема, усилия на штоках гидро­цилиндров или крутящие моменты на валах гидромоторов, скорости перемещения штоков гидроцилиндров или частоты вращения валов гидромоторов, длины участков гидролиний, соединяющих гидроагре­гаты, граничные эксплуатационные температуры. Некоторые исход­ные данные, например номинальное давление в гидросистеме, марка рабочей жидкости, подлежат выбору. Можно рекомендовать следую­щий общий порядок расчета.

1. Выбор номинального давления, МПа, из ряда нормативных, установленных ГОСТ 12445—80: 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32. Для бульдозеров автогрейдеров выбирается среднее давление (до 6,3 МПа), для приводов прочих грузоподъемных и дорожно-строительных машин — высокое давление (до 20 МПа).

2. Выбор рабочей жидкости производится в зависимости от тем­пературных условий, режима работы гидропривода и его номиналь­ного давления.

Нормальная температура рабочей жидкости составляет 50—60 °С. При такой температуре рекомендуется применять рабочие жидкости с кинематической вязкостью v = 0,2...0,36 см²/с при давлениях до 7 МПа и v = 0,6...1,1 см²/с при давлениях 7...20 МПа.

3.Выбор гидроцилиндра. Диаметр гидроцилиндра определяется из соотношения

 

где S_n — площадь поршня; R — усилие на штоке; р — номинальное давление; _мц— механический КПД гидроцилиндра, равный 0,93... 0,97. Диаметр гидроцилиндра, а также диаметр его штока уточняют в соответствии с нормалью ОН22—176—69 (прил. 11).

4. Выбор насоса производится по общему расходу жидкости в гид­росистеме и номинальному давлению. Для определения подачи насоса находят сначала его мощность как сумму мощностей N_Д всех одновре­менно работающих гидродвигателей. При этом мощность, потребляе­мая гидроцилиндром,

 

где R — усилие на штоке гидроцилиндра; v_n — скорость перемеще­ния поршня; _ц — КПД гидроцилиндра, который можно принять равным примерно 0,90. Мощность Гидромотора

 

где М — крутящий момент на валу гидромотора; <о — угловая ско­рость; _ш — полный КПД гидромотора, который можно предвари­тельно принять равным 0,75...0,85.

 

 

Мощность насоса

 

где = 1,1______ 1,3 — коэффициент запаса по скорости; k_y = 1,1...

1,2 — коэффициент запаса по усилию; N_n — суммарная мощность всех работающих одновременно гидродвигателей. Необходимая подача насоса

 

где р — номинальное давление.

По известным значениям Q_H и р выбирается насос (прил. 9), вычис­ляется частота его вращения

 

где i — число насосов; V₀ — рабочий объем; _он — объемный КПД насоса.

В гидросистемах легкого и среднего режимов работы целесообразно применять шестеренные насосы, а для тяжелых и весьма тяжелых режимов — аксиально - радиально-поршневые насосы.

5. Выбор гидромотора можно произвести по рабочему объему

 

 

где М — заданный крутящий момент, Н • м; р_м — давление на вход< в гидромотор, МПа; р_с — потеря давления в сливной гидролинии от гидромотора до бака, МПа; _мм — механический КПД гидромотора (прил. 10). В гидроприводах строительных и дорожных машин в ос­новном используются шестеренные (типа НШ и МНШ) и аксиально-поршневые гидромоторы (типа 210).

6. Тип и марку гидрораспределителя выбирают по номинальному давлению, подаче насоса и количеству гидродвигателей. Для гидро­приводов, работающих в легком и среднем режимах, выбирают, как правило, моноблочные распределители, а для работающих в тяжелой и весьма тяжелом режимах — секционные распределители.

Расчет трубопроводов состоит в определении их диаметров \. потерь давления. Расчет производится по участкам, выделяемым е гидравлической схеме. Участком считают часть гидролинии между разветвлениями, пропускающую один расход при одинаковом диамет­ре. На участке могут быть гидроаппараты, местные сопротивления. По известному расходу и расчетной средней скорости определяют диаметр трубопровода

 

и округляют до ближайших стандартных значений (прил. 4 и 5)

Рекомендуется выбирать скорости: для всасывающей гидролинии

0,5... 1,5 м/с, для сливной 1,4...2,2 м/с, для напорной — 3...6 м/с.

8. Расчет потерь давления в гидролиниях необходим для определения КПД гидропривода. В правильно спроектированной гидросистеме потери давления не должны превышать 6 % номинального дав­ления.

При расчете потерь давления гидравлическую схему разделяют на замкнутые контуры, состоящие из последовательных участков тру­бопроводов с различными гидроагрегатами. В таком контуре потеря давления

 

где р_r — потери на трение; р_м — потери в местных сопротивлениях; р _г— потери в гидроагрегатах. Потери на трение и в местных сопро­тивлениях определяются по формулам, приведенным в гл. 4.

9. Выбор фильтра и его типоразмера производится по расходу
рабочей жидкости в сливной гидролинии и требуемой для данного
гидропривода тонкости фильтрации.

10. Расчет мощности и КПД гидропривода. Полная мощность гид­ропривода равна мощности, потребляемой насосом,

 

Полный КПД гидропривода равен произведению механического, объемного и гидравлического КПД системы

где величины, отмеченные индексом «н», относятся к насосу, индексом «д» — к гидродвигателю, индексом «р» — к гидрораспределителю, р_а — давление насоса, р — потери давления в системе. КПД правильно спроектированного гидропривода = 0,6..,0,8.

Поскольку при практических расчетах невозможно подобрать на­сос, гидроцилиндр и гидромотор, обеспечивающие точные значения основных заданных параметров системы, необходимо провести прове­рочный расчет, в результате которого находятся действительные зна­чения усилия на штоке R, скорости перемещения поршня, частоты вращения и крутящего момента гидромотора.

ПРИМЕРЫ

13.7. В гидроприводе с машинным управлением (рис. 13.2, а) при­менен регулируемый аксиально-поршневой насос, характеризующийся следующими параметрами: количество поршней 2 = 7, диаметры порш­ней d = 15 мм, диаметр окружности центров цилиндров D = 40 мм, частота вращения п = 960 мин^-1, угол наклона диска у может из­меняться от 0 до 30°.

Построить график изменения скорости перемещения поршня гид­роцилиндра в зависимости от угла у, если диаметр цилиндра D_t — == 80 мм, диаметр штока D₂ = 40 мм. Утечками жидкости пренебречь.

Решение. Рабочий объем насоса находим по формуле (12.10)

 

Идеальная подача насоса

 

Скорость перемещения поршня гидроцилиндра

 

Значения скорости v_n при различных значениях угла наклона шайбы у, подсчитанные по этой формуле:

 

 

По этим данным и построена зависимость v_n = f()'(рис. 13.8).

13.8. Определить КПД объемного гидропривода вращательного движения (рис. 13.1, а), насос которого развивает давление = 9,5 МПа, а аксиально-поршневой гидромотор имеет следующие параметры' частота вращения п = 1100 мин-', диаметры цилиндров d = 16 мм количество цилиндров z = 12, диаметр окружности центров цилинд­ров D = 82 мм, угол наклона диска = 20°, механический КПД _гм = 0,85. Характеристика насоса приведена на рис. 13.9. Напор­ная гидролиния имеет длину l_н = 6 м и диаметр d _н = 21 мм, слив­ная 1_С — 9 м и d_c = 33 мм. Рабочая жидкость — масло индуст­риальное -ИС-30 — имеет температуру 60 °С (р = 890 кг/м³). Потери давления в местных сопротивлениях трубопроводов принять равными 90 М потерь давления на трение, а потерями давления во всасываю­щей гидролинии пренебречь.

Решение. 1. По давлению насоса р_н = 9,5 МПа с помощью его рабочей характеристики (рис. 13.9) находим подачу и КПД насоса: Q = 1,2 л/с, _h = 0,80.

2. Определяем потери давления на трение р _тв гидролиниях, для чего вычисляем скорости, числа Рейнольдса и коэффициенты потерь на трение, принимая во внимание, что кинематическая вязкость ра­бочей жидкости равна 30 мм² /с (прил. 1). Результаты расчетов пред­ставлены в табл. 13.1.

 

 

Суммарные потери на трение в обеих гидролиниях

 

Полные потери давления в учетом потерь в местных сопротивле­ниях

 

3. Находим перепад давлений в гидромоторе, его рабочий объем по формуле (12.10) и крутящий момент на валу по формуле (9.17):

 

 

4. Определяем полезную мощность на валу гидромотора, потреб­ляемую мощность насоса и КПД гидропривода:

 

 

 

13.9. Определить мощность и КПД объемного гидропривода по­ступательного движения (рис. 13.1, б), если гидроцилиндр имеет диа­метр D = 200 мм, механический КПД _м = 0,96, объемный КПД

₀ = 0,99, а насос, характеристика которо­го приведена на рис. 13.10, имеет подачу Q_B = 1,1 л/с. Всасывающий трубопровод имеет приведенную длину l_в = 2 м и диа­метр d_в= 39 мМ, напорный — 1_а = 6 м и d_B = 19,2 мм, сливной — /₀ = 10 м и d_B = = 24 мм. Рабочая жидкость — масло тур­бинное 30 — имеет температуру 50 °С, плотность р = 900 кг/м³.

Решение. Определяем потери давления в гидролиниях, для чего вычисляем скорости, числа Рейнольдса и коэффициенты потерь на трение. Конечные результаты расчетов сводим в табл. 13.2. При определе­нии числа Рейнольдса кинематическая вязкость рабочей жидкости при­нята v = 30 мм²/с (прил. 1).

 

Общие потери давления в системе

По известной подаче Q_H = 1,1 л/с по рабочей характеристике на­соса (рис. 13.10) находим давление насоса р_в = 1,6 МПа и его КПД _в = 0,85.

Определяем давление на входе в гидроцилиндр, усилие на штоке и скорость перемещения поршня:

 

Мощность гидропривода — потребляемая мощность насоса

 

КПД гидропривода

13.10. Регулирование скорости вращения вала гидромотора осу­ществляется дросселем, установленным последовательно в напорной гидролинии (рис. 13.1, а). Определить минимальную частоту вращения вала гидромотора из условия допустимой потери мощности в гидро­клапане N_кл = 1,5 кВт, установленном параллельно насосу, если давление нагнетания насоса р = 6,3 МПа, его подача Q = 30 л/мин,

 

 

рабочий объем гидромотора V₀ = 22,8 см³, его объемный КПД ₀ = = 0,95.

 

Решение. Максимальный расход через клапан найдем из выражения

В этом случае подача жидкости в гидромотор

ДЛЯ МОЩНОСТИ:

 

где Q = 30/60 = 0,5 л/с — подача насоса.

Минимальную частоту вращения вала гидромотора найдем по фор­муле (9.15)

 

 

13.11. Насос, работающий в составе объемного гидропривода вра­щательного движения (рис. 13.1, а), имеет подачу Q _н= 36,9 л/мин и давление р_в = 4,23 МПа. Определить частоту вращения вала гид­ромотора с рабочим объемом V_ом = 46 см³ и КПД гидропривода, если крутящий момент на валу гидромотора М = 30 Н • м, объемные КПД насоса и гидромотора равны _он — 0,96, _ом = 0,95, механи­ческие КПД насоса и гидромотора равны _оh = 0,98, _мм = 0,97, по­тери давления в гидролиниях и гидроаппаратах р = 54 кПа.

Решение. Мощность гидропривода равна мощности, потребляемой насосом

 

 

Частота вращения вала гидромотора

 

Частота вращения вала гидромотора

 

КПД гидропривода

 

 

КПД гидропривода можно подсчитать также по формуле

 

 

13.12. В объемном гидроприводе враща­тельного движения с управлением Гидродроссель установлен на выходе (рис. 13.11). Час­тота вращения гидромотора п — 1600 мин^-1, момент на валу М = 22 Н • м, рабочий объем гидромотора V_0M = 32 см³, механичес­кий КПД _мм = 0,90, объемный tj_om = 0,94. Потери давления в золотниковом гидрорас­пределителе, дросселе и фильтре соответствен­но равны: р_р = 0,2 МПа, р_др = 0,5 МПа, р_ф = 0,10 МПа. Потери давления в трубо­проводах составляют 5 % перепада давления в гидромоторе. Подача насоса на 10 % больше расхода гидромотора, КПД насоса _н = 0,88. Определить КПД гидропривода.

 

Решение. Находим расход жидкости гидромотором

 

 

Мощность на валу гидромотора — полезная мощность гидропри­вода

 

 

Давление насоса равно перепаду давления в гидромоторе и потерям давления в гидрораспределителе, дросселе, фильтре и в гидролинии:

 

Подача насоса

 

Мощность насоса (мощность гидропривода) составляет

 

 

КПД гидропривода

13.13. Произвести расчет объемного гидропривода, схема которого показана на рис. 13,1,6, при следующих исходных данных: усилие на штоке гидроцилиндра R — 200 кН, ход поршня h = 500 мм, ско­рость движения поршня v_П = 2,5 см/с, длина напорной гидролинии 1_Н = 4 м, сливной — 1_С = 7 м. В напорной гидролинии необходимо установить шесть угольников ( — 1,2), а в сливной — восемь. Гид­ропривод должен работать при высоком давлении и среднем режиме эксплуатации. Интервал рабочих температур — 0...50 °С. Сопротив­лением гидродросселя пренебречь.

Решение. 1. Для гидропривода высокого давления номинальное значение давления лежит в пределах 6,3...20 МПа. Принимаем р = - 10 МПа.

2. Рабочую жидкость выбираем из условий, что температура ее застывания должна быть на 15...20 °С ниже минимальной температуры окружающей среды, а кинематическая вязкость при р = 7...20 МПа должна составлять 0,6... 1,1 см²/с. Останавливаем выбор на масле М10Г₂ (ГОСТ 8581—78), у которого при 50 °С вязкость v = 0,82 см²/с, температура застывания 15 °С, плотность р = 890 кг/м³.

3. Определяем площадь поршня и диаметр гидроцилиндр:

 

 

В соответствии с отраслевой нормалью ОН 22—176—69 (прил. 11) выбираем силовой цилиндр диаметром D = 160 мм в первом испол­нении, так как ход поршня не превышает 1000 мм. Следовательно, диаметр штока dш = 0,5D = 0,5 • 160 = 80 мм. Механический КПД гидроцилиндра при уплотнении резиновыми манжетами _мц = 0,97, а полный КПД может быть принят равным _ц = 0,95.

4.Мощность гидроцилиндра находим по (13.30):

 

 

Необходимую мощность насоса найдем по формуле (13.32),приняв коэффициенты запаса по скорости k_с = 1,1, по усилию k_y = 1,11:

 

Подачу насоса найдем по формуле (13.33)

 

 

По давлению р = 10 МПа и подаче Q_H = 0,64 л/с выбираем (прил. 9) шестеренный насос типа НШ-32, подача которого при частоте вращения см³, объемный КПД _оя = 0,92, полный КПД _и = = 0,80, диапазон рабочих частот вращения — 1100...1650 мин^--¹. Частоту вращения насоса, обеспечивающую необходимую подачу Q_H = 0,64 л/с, находим по формуле (13.34);

 

5. При выборе типоразмера гидрораспределителя учитываем ра­бочее давление в системе, расход жидкости, режим работы гидропри­вода, необходимое количество позиций. Принимаем для данной системы гидропривода моноблочный золотниковый гидрораспределитель Р75-П2А (прил. 12), потери давления в котором р_р = 0,4 МПа,

номинальное давление р = 10 МПа, номинальный расход жидкости 40—50 л/мин (в данном гидроприводе — Q = 0,64 л/с = 38,4 л/мин).

6. Исходя из номинального расхода и средней тонкости фильтра­ции выбираем фильтр типа 1.1.20—40, потери давления в котором р_ф = 0,10 МПа.

7. Находим внутренние диаметры напорной и сливной гидроли­ний, исходя из рекомендованных скоростей течения жидкости (для напорной гидролинии v„ = 4 м/с, для сливной v_a =2 м/с), причем расход жидкости в сливной гидролинии

 

а в напорной гидролинии равен подаче насоса:

 

Полученные значения диаметров округляем до стандартных зна­чений (прил. 4)

 

 

и уточняем значения скоростей:

 

. Определяем потери давления в трубопроводах, для чего вычис­ляем, числа Рейнольдса и коэффициенты потерь на трение:

 

 

Потери давления в напорном трубопроводе

 

 

Потери давления в сливном трубопроводе

 

9. Необходимое давление насоса равно дав­лению в гидроцилиндре (10 МПа) плюс потери напора в гидролиниях, гидрораспределителе и фильтре:

 

 

Следовательно, принятый насос НШ-32 будет работать с пере­грузкой по давлению, не превышающей 10 %, что вполне допустимо.

13.14. Определить мощность, потребляемую насосом объемного гидропривода g дроссельным регулированием (рис. 13.12), потери мощности из-за слива масла через гидроклапан и КПД гидропривода, если усилие на штоке гидроцилиндра R = 63. кН, потери давления в напорной гидролинии при движении поршня вправо р_п = 0,2 МПа, расход масла через гидроклапан Q_K = 1,55 л/мин, объемный и меха­нический КПД гидроцилиндра ₀ = 1, ti_m = 0,97, КПД насоса _н = = 0,80. Диаметр поршня D = 125 мм, диаметр штока d = 63 мм. Дроссель настроен на пропуск расхода Q_№ = 12 л/мин. Утечками масла в гидроаппаратуре пренебречь.

Решение. Скорость движения поршня

 

 

Расход масла гидроцилиндром

 

Подача насоса

 

 

Давление в штоковой полости гидроцилиндра

 

 

Давление насоса

Мощность, потребляемая насосом,

 

 

Потери мощности из-за слива масла через гидроклапан (Q_K == 1,55 л/мин = 2,6-10^-5м³/с).

Nк = Q_кp_h = 2,6 • Ю^-5 • 7,3 • 10⁶ = 190 Вт. Полезная мощность гидропривода — полез­ная мощность гидроцилиндра

КККПД гидропривода

 

13.15. Насос объемного гидропривода с дроссельным регулирова­нием (рис. 13.13) развивает давление р_я = 10 МПа и постоянную по­дачу, при которой максимальная частота вращения вала гидромотора п = 2200 мин^-1. Определить потери мощности из-за слива рабочей жидкости через гидроклапан при частоте вращения вала гидромотора n1 = 1500 мин^-1, если рабочий объем гидромотора V₀ = 20 см³, а его объемный КПД ₀ = 0,97.

Решение. Максимальную частоту вращения вал гидромотора будет иметь при полностью открытом дросселе, когда вся жидкость от на­соса поступает в гидромотор. Поэтому подача насоса

 

Расход масла через гидроклапан

 

Расход масла гидромотором при частоте вращения n1

 

Потери мощности из-за слива масла через гидроклапан

13.16. В объемном гидроприводе гидромотор и гидроцилиндр вклю­чены параллельно (рис. 13.14). Какую подачу должен создавать на­сос, чтобы поршень гидроцилиндра диаметром D = 50 мм перемещался влево со скоростью v_n = 6 см/с, а вал гидромотора с рабочим объемом V₀ = 16 см³ вращался с частотой п — 20 с^-1, если объемные КПД гидроцилиндра и гидромотора _оц = 1, _ом = 0,98? Утечкой масла в гидроаппаратуре пренебречь.

Решение. Подача насоса при отсутствии утечек жидкости в гидро­аппаратуре равна расходу жидкости гидроцилиндром и гидромотором:

13.17. В объемном гидроприводе (рис. 13.14) гидроцилиндр (D =* = 125 мм, d = 63 мм) и гидромотор с рабочим объемом V₀ = 20 см ³ соединены параллельно. Потери давления в напорной гидролинии пи гидроцилиндра p_t = 0,23 МПа, в напорной и сливной линиях гидромотора

— р₂ = 0,3 МПа, утечки масла в гидроаппаратуре q = 5 см³/с.

Определить КПД гидропривода и мо­мент на валу гидромотора, если постоян­ная подача насоса Q„ = 42 л/мин, а его КПД |_в == 0,83. Усилие на штоке гидро­цилиндра при движении поршня вправо со скоростью v_n = 5 см/с равно R = 50 кН. Полные и объемные КПД гидроцилиндра и гидромотора соответственно равны: _ц = = 0,95, „ = 1; _м = 0,90, г)_он = 0,98.

Решение. Поскольку КПД гидропривода равен отношению суммарной полезной мощ­ности гидроцилиндра и гидромотора

к мощности, потребляемой насосом

 

то для его определения необходимо найти давление насоса р_а, расход масла Q_M и перепад давления р_м в гидромоторе.

Расход масла гидроцилиндром при движении поршня вправо

 

Расход масла гидромотором

 

 

где Q_K = 700 см³/с — подача насоса в секунду.

Давление рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра

 

 

Давление насоса

Пусть р2 и р2 — потери давления в напорной и сливной линиях гидромотора соответственно. Тогда давление на входе в гидромотор равно р_И — р2. а перепад давления на гидромоторе

 

 

Полезная мощность: гидроцилиндра

Гидромотора

Суммарная полезная мощность гидропривода

 

КПД гидропривода

 

Момент на валу гидромотора

 

 

— гидромеханический КПД гидромотора.

13.18. Насос объемного гидропривода (рис. 13.15) развивает дав­ление р_в = 7,5 МПа и постоянную подачу Q_H = 30 л/мин. Поршни гидроцилиндров (D = 160 мм, d = 80 мм) перемещаются вверх с оди­наковой скоростью.

Определить скорость движения поршней и потери мощности из-за слива масла через гидроклапан, если гидродроссель настроен на про­пуск расхода Q _др = 7,2 л/мин, а объемные КПД гидроцилиндров ₀ = 0,99. Утечками масла в гидроаппаратуре пренебречь.

Решение. Скорость движения поршня

 

 

где Q д_Р = 120 см³/с — расход масла че­рез гидродроссель в секунду.

Расход масла двумя гидроцилиндрами

 

 

Расход масла через

 

Потери мощности из-за слива масла через гидроклапан

 

 

13.19. Вал гидромотора 1 с рабочим объемом V_ol = 25 см³ вра­щается с частотой п_х — 800 мин^-1. Определить частоту вращения вала гидромотора 2 (рис. 13.16) с рабочим объемом V_o2 = 32 см³, если по­дача насоса Qн = 42 л/мин, утечки масла в гидроаппаратуре q = — 5 см³/с, а объемные КПД обоих гидромоторов ₀ = 0,98.

Решение. Расход масла гидромотором 1

 

Расход масла гидромотором 2

 

где Q_н — 700см³/с — подача насоса в секунду. Частота вращения вала гидромотора 2

 

13.20. Определить пределы регулирования частоты вращения ва­ла гидромотора, рабочий объем которого может изменяться от V_0l = = 10 см³ до V_o2 = 50 см³, если подача насоса Q_H = 14,6 л/мин, утеч­ки жидкости в гидроаппаратуре гидропривода q = 200 см³/мин, объ­емный КПД гидромотора ₀ = 0,98.

Решение. Расход масла гидромотором

 

Частота вращения вала гидромотора;

а) при

б) при

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

 

Приложение 1

 

Характеристики некоторых жидкостей

 

 

Вода 1000 0,49 0,20 1,14 1,01 0,55

Ртуть 13 600 0,039 0,18 — 0,114

Глицерин 1260 0,25 0,49 — 1180

Бензин 680—780 0,92 1,255 0,93 — 0,54

Керосин 790—820 0,77 0,96 2,7 2,5 1,60

Спирт этиловый 790. 0,78 1,10 — 1,52 0,50

Мазут 890—940 — — — 2000 —
Нефть Баку:

легкая 884 0,78 0,6 — 25 —

тяжелая 924 0,78 0,6 — 140 —
Масла:

индустриальные

И-12 880 — — — 50 10—14

И-20 885 0,72 0,73 — 100 17—23

И-30 890 — 170 23—33

И-50 910 0,68 — 400 47—55

АМГ-Ю 850 0,74 0,83 — 18 10

турбинное-57 920 0,56 0,65 — — 55 59

веретенное АУ 880 — — — 50 12- II

трансформаторное 890 — — — 30 9,6

турбинное 30 и 34 900 — — — — 28

Воздух 1,20 — — — 1490

 

Приложение 2