Расчет объемного гидропривода

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Разработать гидропривод со следующими характеристиками:

время рабочего хода tр = 5 сек, время обратного хода tхх = 10 сек, рабочая нагрузка Fр = 1,2 кН, холостая нагрузка Fхх = 0,5 кН, длина рабочего хода Lр = 200 мм, масса исполнительного органа mр.о. = 500 кг.

По исходным данным спроектировать гидравлический привод с гидродвигателем поступательного движения, а также выбрать все необходимые гидроаппараты для нормального функционирования гидропривода.

РЕФЕРАТ Пояснительная записка 21 стр., 3 рис., 1 табл., 4 источника, 1 прил.

ГИДРОПРИВОД, ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОДВИГАТЕЛЬ, ПОРШЕНЬ, ШТОК, ДРОССЕЛЬ, ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН, ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КПД, РАСХОД Объектом исследования является объемный гидродвигатель, служащий для преобразования энергии рабочей среды в энергию движения выходного звена.

Цель работы — освоение навыков проектирования гидравлического привода поступательного движения.

Был произведен выбор: насосной установки, предохранительного клапана, дросселя, трубопровода, фильтрующего устройства.

Был произведен расчет: стенки гидроцилиндра, донной части гидроцилиндра, штока на устойчивость, теплового режима.

1. Энергетический расчет привода

2. Гидравлический расчет привода и выбор трубопроводов и аппаратов

2.1 Выбор насосной установки

2.2 Выбор предохранительного клапана

2.3 Выбор дросселя

2.4 Выбор трубопровода

2.5 Выбор фильтрующего устройства

2.6 Выбор гидрораспределителя

3. Прочностной расчет гидроцилиндра

3.1 Расчет на прочность стенки гидроцилиндра

3.3 Расчет штока гидроцилиндра на устойчивость

4. Тепловой расчет привода

4.1 Расчет теплового режима

5. Монтаж и эксплуатация системы гидропривода

6. Техника безопасности Список литературы Приложение

Объемным гидроприводом называется совокупность объемных гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных устройств, предназначенная для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости.

Объемные гидроприводы обладают рядом преимуществ, к которым относятся:

1. Бесступенчатое регулирование передаточного числа в широком диапазоне и возможность создания больших передаточных отношений;

2. Малая удельная масса;

3. Возможность простого и надежного предохранения приводящего двигателя от перегрузок;

4. Малая инерционность вращающихся частей, обеспечивающая быструю смену режимов работы (пуск, разгон, реверс, остановка);

5. Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное;

6. Возможность расположения гидродвигателя на удалении от источника энергии и свобода компоновки.

Необходимо также считаться с недостатками гидропривода, а именно;

1. КПД объемного гидропривода несколько ниже, чем КПД механических и электрических передач, и, кроме того, он снижается в процессе регулирования;

2. Условия эксплуатации гидропривода (температуры) влияют на его характеристики;

3. КПД гидропривода несколько снижается по мере выработки его ресурса из-за увеличения зазоров и возрастания утечек жидкости (падение объемного КПД);

4. Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и необходимость достаточно высокой культуры обслуживания.

1 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА

1) Энергетический расчет для рабочего хода поршня.

Определим максимально возможную скорость выходного звена:

м/сек, где LП — полное перемещение штока,

tр — время прямого хода.

Определим показатель вида нагрузки:

где m — приведенная к выходному звену масса (момент инерции) рабочего механизма и перемещение груза;

Fст — приведенная к выходному звену результирующая внешняя статическая нагрузка (потенциальных и диссипативных) сил или моментов сил.

По графику зависимости оптимальной по мощности привода относительной предельной скорости движения выходного звена от показателя нагрузки находим относительную предельную скорость м/сек.

Рассчитываем предельную скорость:

м/сек.

Предельное ускорение:

м/с2.

Определяем внешнюю нагрузку:

Н.

При этом предельные затраты мощности:

Вт.

Расчетная формула для определения главного параметра объемного двигателя — его удельного рабочего объема:

м3/м, где = 2,5 МПа — номинальное давление рабочей среды,

= 0,9 — гидравлический КПД гидролиний и аппаратов системы,

= 0,9 — механический КПД объемного двигателя.

У гидроцилиндров объем равен эффективной площади поршня, поэтому расчетный диаметр поршня:

28 мм.

Выбираем ближайшее значение по каталогу мм и уточняем объем:

м3/м.

Определяем коэффициент соотношения эффективных площадей:

где dш — диаметр штока.

dш=(0,15…0,20)dп=0,20•32=6,4 мм.

2) Энергетический расчет для обратного хода.

Определим максимально возможную скорость выходного звена:

м/сек.

Определим показатель вида нагрузки:

.

По графику зависимости оптимальной по мощности привода относительной предельной скорости движения выходного звена от показателя нагрузки находим относительную предельную скорость м/сек.

Рассчитываем предельную скорость:

м/сек.

Предельное ускорение:

м/с2.

Определяем внешнюю нагрузку:

Н.

При этом предельные затраты мощности:

Вт.

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА И ВЫБОР ТРУБОПРОВОДОВ И АППАРАТОВ

2.1 ВЫБОР НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ гидравлический привод насосный трубопровод Подача насоса, необходимая для обеспечения заданной скорости выходного звена гидродвигателя:

м3/сек =1,08 л/мин =0,108л/сек, Где Vд — скорость перемещения штока при соединении источника гидравлической энергии с поршневой полостью гидроцилиндра;

— объемный КПД гидродвигателя, ;

— объемный КПД гидроаппаратов в линии, .

Мощность, отдаваемая насосом в гидросистему:

Вт.

Рабочий объем насоса:

м3 =1,293 см³,

где nН — частота вращения вала насоса.

По номинальному давлению, рабочему объему и мощности выбираем из каталога стандартный насос БГ11−22А.

Таблица № 1

Гидробак должен вмещать весь объем рабочей жидкости гидросистемы с 50%-ным запасом для компенсации утечек и других потерь. Объем гидробака:

Vб = (200…300)•QН=300•1,8•10−5 = 0,0054 м³,

Бак выполняется обычно в форме параллелепипеда из стальных листов толщиной 3…5 мм (рис. 1).

Рис. 1 Гидробак

Примем размер b = 0,3 м, тогда

м.

2.2 ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА

Роль клапана — защита гидропривода от давления, превышающего установленное значение. Он включается в работу лишь в аварийных ситуациях при достижении значения:

pmax = 1,25…1,5 pном

pmax = (1,25…1,5)•2,5•106 = 3,125…3,75 МПа Выбор клапана производится по номинальному давлению в системе и диаметру условного прохода:

где Vmax — максимально допустимая скорость течения жидкости через клапан, Vmax = 15. .25 м/с.

Выбираем предохранительный клапан Г54−32М УХЛ4.

Номинальный расход — 35л/мин;

Диаметр условного прохода

2.3 ВЫБОР ДРОССЕЛЯ Скорость движения штока цилиндра регулируется с помощью дросселя, который ограничивает расход масла, поступающего в цилиндр или отходящего из цилиндра.

При выборе схемы установки дросселя следует учитывать, что в варианте с дросселированием на входе давление в цилиндре меньше, поэтому снижается трение и улучшаются условия работы уплотнений.

Выбор дросселя осуществляется по необходимому расходу рабочей жидкости, диаметру условного прохода и рабочему давлению в системе.

Удельный рабочий объем холостого хода:

м3/м,

м3/сек =1,1 л/мин Дроссель МПГ55 — 12М:

Номинальное рабочее давление — 6,3 МПа;

Диаметр условного прохода -10 мм;

Максимальный расход — 32л/мин;

Номинальный расход — 25 л/мин.

2.4 ВЫБОР ТРУБОПРОВОДА По диаметру трубопровод должен обеспечить расход жидкости, требуемый для выражения необходимой скорости движения штока гидроцилиндра.

где Q — расход жидкости через трубопровод, м3/с

V — скорость течения жидкости.

Примем диаметры труб равными .

Рис. 2 Основные размеры трубопровода

Определим толщину трубы:

где s — толщина стенки трубы,

Dн — наружный диаметр трубы,

Dн = 2•s + dвн, ув — временное сопротивление разрыву, для труб из Ст20 по ГОСТ 8734–78

ув = 420МПа,

n — коэффициент запаса прочности,

n = 5

отсюда .

Примем ,

с наружным диаметром Dн = 15 мм, внутренним диаметром dвн = 8 мм, толщина стенки трубы s = 3,5 мм.

2.5 ВЫБОР ФИЛЬТРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Загрязнение крайне вредно влияют на эксплутационную надежность элементов гидропривода. Наиболее опасно присутствие в жидкости частиц большой твердости, размер которых соизмерим с зазором в подвижных соединениях. Абразивное изнашивание подвижных сопряжений приводит к снижению объемного КПД гидропривода. Особенно сильное влияние загрязнение жидкости оказывает на износ распределительной и регулирующей аппаратуры.

Примем фильтр АС42−51:

Диаметр условного прохода 10 мм, Номинальная тонкость фильтрации 0,16 мм, Номинальный расход 25 л/мин, Номинальный перепад давления 0,1 МПа.

2.6 ВЫБОР ГИДРОРАСПЕДЕЛИТЕЛЯ

3. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ГИДРОЦИЛИНДРА

3.1 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ СТЕНКИ ГИДРОЦИЛИНДРА Расчет напряжений ведется в зависимости от типа напряженного состояния в стенке гидроцилиндра, которое зависит от способа закрепления. Напряженное состояние является объемным, в случае случае опоры цилиндра на донную часть.

В этом случае можно найти осевое уz, радиальное уr и тангенциальное уt напряжения в произвольной точке сечения цилиндрической стенки:

Опасная точка лежит на внутренний поверхности цилиндра, тогда подставим значение r = rв.

Эквивалентное напряжение по IV теории прочности:

Преобразовав, получим:

Внутренний диаметр гильзы цилиндра примем равным dв = 40 мм,

— допускаемые напряжения, для кованых цилиндров — 100…150 МПа, примем .

Округлим полученное значение до rн = 25 мм, или dн = 50 мм.

Па = 10,8 МПа.

Условие прочности имеет вид:

.

В данном случае условие прочности выполняется.

3.2 РАСЧЕТ ШТОКА ГИДРОЦИЛИНДРА НА УСТОЙЧИВОСТЬ

Шток гидроцилиндра рассчитывают на устойчивость, исходя из того, что он является тонким стержнем, а упругостью корпуса гидроцилиндра можно пренебречь. При этом критическая сила, при которой шток теряет устойчивость, выражается формулой Эйлера:

где Е — модуль упругости материала штока,

J — момент инерции сечения штока,

Lпр — приведенная длинна стержня, определяется в зависимости от условий закрепления гидроцилиндра.

Lпр = 0,5L.

Условие устойчивости стержня:

Fкр > F,

где F — результирующая нагрузка на шток гидроцилиндра.

Преобразовав, получим

где k — коэффициент запаса прочности.

м,

Примем диаметр штока dш = 7 мм.

Определим коэффициент соотношения эффективных площадей

.

4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ГИДРОПРИВОДА

4.1 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Определение осредненного приращения температуры (нагрева) жидкости на выделенном участке гидропривода или во всей гидросистеме можно произвести по упрощенной математической модели описания процесса приращения температуры жидкости.

где — начальная разница температур жидкости и окружающей среды,

NT.H. — мощность источников тепловой энергии,

РТ.П. — удельная мощность теплоотдачи в окружающую среду при перепаде температур на 1оС,

t = (3…4)/г,

?TH = TH — TO,

г = PT.П./CT,

CT = mж•сж+ mc•сc,

TH — начальная температура жидкости,

TO — температура окружающей среды,

mж, mc — массы жидкости и стенок,

сж, сc — удельные теплоемкости жидкости и стенок.

Площадь поверхности бака будет равна:

Учитывая, что толщина стенки бака равна 3 мм, объем стали затраченной на его изготовление будет равен:

Площадь поверхности трубопровода будет равна:

.

Объем стали для изготовления трубопровода будет равен:

.

Площадь поверхности гидроцилиндра

.

Объем стали на изготовление цилиндра равен:

Удельная мощность теплоотдачи в окружающую среду при перепаде температур на 10С:

где — коэффициент теплопередачи от жидкости через i — ю стенку в окружающее пространство,

При естественной циркуляции воздуха .

— площадь поверхности i — ой стенки,

.

Масса жидкости:

Масса стали:

.

Тогда .

.

Перепад температур:

.

Мощность источников тепловой энергии

NT.И = NВ. И +? N,

где NВ. И — мощность теплового потока, поглощаемого от внешних источников,

? N — потери мощности в гидроприводе.

NВ.И = gc•Fст?бст, где gc — солнечная постоянная, gc = 500 Вт/м2,

Fст — площадь нагреваемой поверхности стенок.

бст — коэффициент черноты облучаемой поверхности, бст = 0,9 (для шероховатых поверхностей).

.

? N = NH — Nд, где NH — мощность на приводном валу насоса NH = 387,6 Вт

Nд — мощность на выходном валу звена гидродвигателя Nд = 352,7 Вт.

? N = 387,6 — 352,7 = 34,9 Вт Мощность источников тепловой энергии будет равна

.

Время достижения установившегося теплового режима:

.

Тогда осредненное приращение температуры жидкости в гидросистеме составляет:

.

Температура жидкости установившаяся после работы гидросистемы будет равна:

.

Полученное значение не превышает предельного значения температуры для масла [Tж] = 50 oC, следовательно применение теплообменного аппарата не требуется.

5. ЗАПУСК ГИДРОПРИВОДА В ЭКСПЛУАТАЦИЮ Часто поломки гидропривода происходят при его первом же запуске в эксплуатацию, поэтому необходимо соблюдать следующий строго определенный порядок запуска.

— Заполнить бак маслом. Вливаемое масло должно соответствовать указанному в руководстве, а его качество должно предварительно контролироваться.

— Проверить соблюдение требований безопасности.

— Ослабить регулировочный винт предохранительного клапана.

— Проверить положение рабочих органов распределителей, обеспечивающее поджим рабочих органов к упорам.

— После заливки корпуса насоса рабочей жидкостью и ручной проверки легкости вращения толчком продолжительностью 1−2 с запускается приводной электродвигатель и проверяется правильность направления его вращения (указано в руководствах насосов).

— Проверить наличие давления при включении насосной установки.

— Устранить наружные утечки.

— В процессе работы на низком давлении проверить ход всех рабочих органов и выпустить воздух из гидродвигателей и трубопроводов через специально предусмотренные устройства или ослабляя затяжку соединений трубопроводов в верхних точках гидросистемы. При необходимости долить масло в бак.

— С помощью предохранительного клапана или регулятора насоса установить в гидросистеме нормальное рабочее давление.

— При наличии повышенного шума или пены на поверхности масла в баке проверить уплотнение вала насоса, герметичность всасывающего и сливного трубопроводов, а также их погружение под уровень масла в баке на глубину не менее 4- 5 диаметров трубопроводов.

— Произвести наладку узлов гидропривода.

— Подключить систему электроавтоматики и произвести наладку автоматического цикла.

— Наладить систему фильтрации. При первоначальном запуске гидропривода после нескольких часов его эксплуатации проверить степень загрязнения фильтров и при необходимости очистить или заменить фильтроэлементы.

— Тщательно устранить наружные утечки.

6. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ Для защиты гидроприводов от перегрузок и контроля давления в напорных линиях должны быть установлены предохранительные клапаны и манометры, причем на шкале или корпусе последних должны быть нанесены красные метки, соответствующие максимально допустимому давлению. В линиях, ведущих к манометрам, запрещается производить отбор рабочей жидкости.

Конструкция гидроприводов должна исключать представляющие опасность для обслуживающего персонала перемещения выходных звеньев гидродвигателей в любые моменты цикла работы. Гидросистемы должны иметь блокировки, исключающие возможность ошибочного включения несовместимых движений рабочих органов. Если снижение давления в системе может создать опасность для работающих или вызвать аварию машины, должна быть предусмотрена блокировка, останавливающая машину при снижении давления ниже значения, установленного в стандартах или технических условиях. При этом не должны отключаться устройства, перерыв в работе которых связан с возможностью травмирования работающих (зажимные, тормозные и т. п.).

При необходимости фиксирования в заданном положении выходных звеньев гидродвигателей должны устанавливаться гидрозамки или другие фиксирующие устройства. Аппараты, регулирование которых некомпетентным персоналом может привести к аварии станка и травмированию, должны снабжаться замками или пломбами.

Перед началом испытаний систем и устройств следует установить органы управления в исходные позиции; максимально ослабить регулирующие пружины предохранительных клапанов; проверить наличие и надежность закрепления предусмотренных ограждений, а также наличие заземления электрооборудования; проверить состояние манометров (наружным осмотром) и наличие пломб, правильность направления вращения насосов кратковременным включением; удалить воздух из системы; проверить нет ли течки в системе, и уровень жидкости.

Перед демонтажем следует полностью разгрузить систему от давления, отключить энергоисточники и слить масло (при необходимости). Испытания и эксплуатация гидроприводов и устройств должны производиться при строгом соблюдении правил пожарной безопасности и электробезопаности.

Заключение

При выполнении данного курсового проекта был спроектирован гидропривод поступательного движения. При этом были освоены методы расчета элементов гидропривода.

Мы определили геометрические параметры гидроцилиндра, выбрали рабочий объём насоса, определили параметры предохранительного клапана, выбрали дроссель, трубопровод и фильтр. Расчёты на прочность показали, что гидроцилиндр выдержит данные нагрузки без существенных деформаций. Тепловой расчёт показа, что температура рабочей жидкости не превышает предельного значения, что освобождает конструкцию от устройства теплообменного аппарата.