Расчет параметров гидравлической системы

МИНИСТЕРСТВО образования и науки украины Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт».

В.А. Грайворонский РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Учебное пособие Харьков «ХАИ» 2009.

УДК 532 (075.6).

Грайворонский В. А. Расчет параметров гидравлической системы: учеб. пособие / В. А. Грайворонский. — Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2008. — 29 с.

Представлена упрощенная методика расчета гидравлической системы с параллельными и последовательными линиями.

Для студентов авиационно-космических и других специальностей высших учебных заведений. Может быть использовано при изучении курса «Гидравлика», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Ил. 14. Табл. 4. Библиогр.: 3 назв.

Рецензенты: канд. техн. наук А. Н. Мороз, канд. техн. наук С. Ф. Петренко.

© Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского.

«Харьковский авиационный институт», 2009 г.

Оглавление Введение.

1. Описание гидравлической системы.

2. Гидравлический расчет системы.

2.1 Определение характеристик простых трубопроводов.

2.2 Упрощение гидравлической системы.

3. Построение характеристики насоса.

4. Определение параметров рабочих циклов гидросистемы Приложение Библиографический список.

Введение

Гидравлические системы получили широкое применение в машиностроении, на транспорте, в технологических процессах и в других случаях. Современные самолеты и вертолеты снабжены гидравлическими системами, выполняющими многие важные функции:

1) управление летательным аппаратом по всем направлениям (рулями высоты, направления, элеронами и др.);

2) управление взлетно-посадочными устройствами (шасси, закрылками, предкрылками и др.);

3) послепосадочное торможение и управление на взлетно-посадочной полосе, управление реверсом тяги двигателей;

4) управление грузолюками, входной дверью и др.;

5) управление лопастями винтов самолетов и вертолетов и др.

Гидравлические системы — самые распространенные силовые системы ЛА. Это объясняется существенными преимуществами гидравлических систем по сравнению с электрическими, механическими, пневматическими и другими.

Наиболее важные из них:

а) простота транспортировки энергии;

б) неограниченные кинематические возможности;

в) малый вес гидродвигателей на единицу мощности;

г) простота предохранения гидросистемы от перегрузок;

д) высокая эксплуатационная надежность.

Гидравлическая передача — комбинированная система, в которой одним из звеньев, обеспечивающих геометрические и кинематические связи, является жидкость.

Принцип действия гидравлической передачи основан на текучести и практической несжимаемости жидкости. Скорость передачи гидравлического импульса составляет 1000…1200 м/с. Этот параметр важен для управления быстротекущими процессами.

Типовая гидравлическая система состоит из агрегатов трех групп:

1. Энергетическая группа:

а) гидробаки;

б) насосы, насосные станции;

в) гидроаккумуляторы;

г) фильтры;

д) контрольные приборы.

2. Распределительная группа:

а) краны управления, согласования, регулирования;

б) обратные клапаны;

в) делители потока (синхронизаторы);

г) ограничители расхода (дозаторы);

д) дроссели;

е) мультипликаторы (преобразователи давления).

3. Исполнительная группа:

а) гидромоторы;

б) силовые цилиндры (поступательного и поворотного типа);

в) рулевые приводы;

г) гидроусилители;

д) тормозные устройства.

Проектирование гидравлической системы связано со многими расчетами, в процессе которых определяются:

1) гидравлические параметры элементов и систем в целом;

2) функциональные возможности системы в различных условиях;

3) параметры быстродействия, надежности и др.;

4) жесткостно-прочностные характеристики элементов;

5) акустические характеристики.

В данном пособии рассматриваются только вопросы по первому пункту.

1. Описание гидравлической системы Рассматриваемые гидравлические системы предназначены для выполнения механической работы, при этом происходит поступательное перемещение исполнительных звеньев — штоков под нагрузкой с постоянной скоростью. Схемы вариантов гидравлической системы приведены на рис. 1−4. Несмотря на некоторые отличия схем, они имеют общие элементы, характер рабочего процесса и методику расчета.

Гидравлическая система состоит из насоса роторного типа (Н), который работает в постоянном режиме, прокачивая жидкость в указанном направлении, а также из двухпозиционной гидропанели (ГП), назначение которой заключается в направлении рабочего потока жидкости в нижнюю часть цилиндров (I положение золотника) или в верхнюю (II положение золотника). Соответственно, жидкость из противоположных частей цилиндров через эту же панель вытесняется в гидробак. Золотником можно управлять электрическим или механическим способом.

Для обеспечения нормальной работы насоса и всей системы в линии всасывания (трубопровод 1) установлен фильтр (Ф), назначение которого — очистка жидкости от механических примесей.

В случае аварийного засорения фильтра жидкость идет через параллельный трубопровод, т.к. противоперегрузочный клапан (ПК1) открывается при определенном перепаде давления на фильтре. В этом случае жидкость не фильтруется, но система работает.

Предохранительный клапан (ПК2) переключает часть подачи насоса на слив, если усилие на штоках возрастет сверх предельной величины или в линии нагнетания давление превысит предельную величину. Таким образом, клапан ПК2 предохраняет насос и трубопроводы от разрушения, при этом гидросистема работает в «заторможенном» режиме.

В нормальном режиме работы системы клапаны ПК1 и ПК2 закрыты. Этот случай и подлежит расчету.

Жидкость по напорным трубопроводам поступает в рабочие цилиндры. При этом поршни со штоками под действием перепада давления перемещаются, преодолевая заданное усилие.

Движущиеся поршни вытесняют рабочую жидкость из противоположных частей цилиндров, при этом жидкость попадает в трубопроводы сливной магистрали, а затем через гидропанель (ГП) и трубопровод 9 — в бак.

Обратный клапан (ОК) на трубопроводе 9 открыт только при движении жидкости в бак, что препятствует попаданию воздуха в систему и непредусмотренному движению жидкости в обратном направлении.

Следует отметить, что расход жидкости в линии нагнетания (Q) и в линии слива (Q?) различен из-за влияния штоков.

Рабочим процессом гидросистемы предусмотрена параллельная работа двух штоков на нагрузку РШ для каждого и работа одного штока на нагрузку РН. Для обеспечения одинаковой скорости перемещения штоков в параллельных силовых цилиндрах (линия «Ш») при некотором рассогласовании нагрузок между штоками установлены синхронизаторы ©.

Рассмотренные упрощенные гидравлические системы могут быть использованы, например, при выпуске и уборке трехколесного шасси самолета. Естественно, реальная гидравлическая система значительно сложнее, т.к. имеет дублирующие линии, элементы, повышающие надежность, системы тонкого регулирования и управления и др.

Гидравлические характеристики отдельных элементов системы получить не представляется возможным из-за сложного характера течения в них, сложной формы проточной части, поэтому в инженерной практике для получения указанных характеристик используются, в основном, экспериментальные данные. К тому же из-за незначительного расстояния между агрегатами возникает взаимное влияние, которое также теоретически невозможно учесть.

Подобные гидравлические системы с некоторыми изменениями могут также применяться при выпуске и уборке закрылков и предкрылков, реверсе тяги, торможении колес при посадке и др. Практически во всех системах имеются параллельные, разветвленные и последовательные структуры. Особенно сложными в расчетном плане являются гидравлические бустерные системы, позволяющие управлять в синхронном режиме выходным звеном с большим коэффициентом увеличения нагрузки.

Для подобных гидравлических систем, а тем более для систем сложной конфигурации, в настоящее время используется сетевой метод расчета. В основе указанного метода лежит способ постепенного упрощения структуры системы путем учета влияния отбрасываемых элементов. С этой целью производят вначале учет влияния параллельных и последовательных элементов (агрегатов, трубопроводов, рабочих цилиндров) самой внутренней структуры системы; после замены ее суммарной зависимостью переходят к следующему внутреннему параллельному контуру и таким образом выходят на простой трубопровод. В качестве расчетной зависимости (характеристики) может быть зависимость изменения давления либо напора, либо мощности от подачи. Для гидравлических систем с роторными насосами удобно использовать характеристики элементов на основе изменения давления. Иными словами, для каждого элемента гидравлической системы необходимо рассчитать и построить указанную зависимость. Целесообразно построение характеристики производить в реальном диапазоне изменения подачи насоса.

Рис. 1 Схема 1-I (вариант 1, положение крана ГПI).

Рис. 2 Схема 1-II (вариант 1, положение крана ГПII).

Рис. 3 Схема 2-I (вариант 2, положение крана ГПI).

Рис. 4 Схема 2-II (вариант 2, положение крана ГПII).

2. Гидравлический расчет системы.

2.1 Определение характеристик простых трубопроводов Простым является трубопровод с постоянным диаметром. На этом трубопроводе могут быть установлены различные агрегаты.

Рассмотрим отдельно линию всасывания и нагнетания и линию слива.

А. Линия всасывания и нагнетания В зависимости от положения золотника гидропанели (I или II) эта линия состоит из следующих трубопроводов:

I — 1,2,3,4,5,10;

II — 1,2,8,6,7,11.

Указанные трубопроводы включают в себя определенные агрегаты (местные сопротивления) и соединены между собой последовательно или параллельно. Потери давления (путевые потери) в конкретных трубопроводах являются результатом трения между слоями жидкости и определяются по известным выражениям из курса общей гидравлики:

;

.

Коэффициент путевых потерь зависит от режима течения, числа Рейнольдса и шероховатости стенок трубы. В силовых гидросистемах режим течения близок к ламинарному. Окончательно этот вопрос будет установлен в процессе расчета.

Коэффициент путевых потерь для ламинарного режима.

.

где коэффициент, А = 64…75.

Большие значения соответствуют трубам с непрямолинейной осью, при наличии стыков, помятости сечения и т. д. Считаем, что эти факторы отсутствуют.

Число Рейнольдса.

.

где.

.

В итоге расчетная формула для потерь давления такова:

.

где — плотность рабочей жидкости;

— кинематический коэффициент вязкости;

— расчетная длина трубопровода;

— подача в линии нагнетания и всасывания.

Для обобщения зависимости потерь давления удобно ввести следующее обозначение:

.

Где.

.

Значения определяются для конкретных трубопроводов и сводятся в таблицу.

Таким образом, при ламинарном режиме характеристикой трубопровода является линейная зависимость от подачи. Так как на некоторых трубопроводах установлены гидроагрегаты (фильтр, гидропанель), необходимо учесть также потери давления от них.

Расчет потерь давления для реальных гидроагрегатов является сложной задачей вследствие процессов, возникающих в них, что не позволяет рассчитать потери теоретически. В приближенных расчетах можно воспользоваться экспериментальными или статистическими данными для определения потерь в области местных сопротивлений. При весьма малых числах Re (Re<500) для многих местных сопротивлений потери давления описываются практически линейной зависимостью от подачи, что позволяет объединить их с путевыми потерями, т. е. длина трубопровода формально увеличивается на некоторую величину.

Таким образом,.

.

где определяется по исходным данным для указанных гидроагрегатов.

Если гидроагрегат установлен на границе трубопроводов, то его можно включать в любой из них. Если трубопровод разветвляется, то гидроагрегат относят к неразветвляющемуся трубопроводу.

Отметим, что длина трубопровода 7 в линии «Ш» определяется с учетом синхронизатора ©, а в линии «Н» — без него.

На этом этапе расчета строятся характеристики указанных трубопроводов. Для этого достаточно взять одну расчетную точку.

= (100…180) см3/с. Вторая точка — начало координат.

Б. Линия слива В линии слива в зависимости от положения золотника гидропанели.

(I или II) находятся следующие трубопроводы:

I — 6,7,8,9,11;

II — 3,4,5,9,10.

Как и ранее, потери давления в гидроагрегатах включаются в путевые потери методом эквивалентной длины. Гидропанель также учитывается в линии слива.

Расчетная формула для трубопроводов линии слива аналогична:

.

или.

.

Отличие состоит в том, что при расходе в зоне нагнетания расход в зоне слива будет другим —. Наличие штока с одной стороны приводит к вытеснению большего или меньшего объема. В положении золотника I в зоне слива будет больший расход, чем в зоне нагнетания, а в положении золотника II будет меньший расход.

Расход в соответствующей линии слива определяется из условия равенства скоростей жидкости по обе стороны поршня, при этом разделение расходов в линиях «Ш» и «Н» происходит так, что потери давления по указанным линиям одинаковы, т.к. давления в точках, А и D являются определенными.

С этой целью необходимо разделить расход в точке, А (схемы 1-I и 2-I) или D (схемы 1- II и 2- II) и учесть влияние рабочих цилиндров. В цилиндрах по обе стороны от поршней происходит скачкообразное уменьшение давления в направлении движения штоков. Процесс подобен течению в области местных сопротивлений, но потоки различны.

Величина перепада давления на поршнях и определяется внешними усилиями на штоках.

Перепад давления практически равен давлению в линии нагнетания, т.к. противодавление в линии слива весьма мало.

С учетом разделения расхода в точке A или D и с учетом влияния штоков имеем:

· в линии нагнетания ;

· в линии слива ,.

.

.

Коэффициенты и зависят от положения золотника гидропанели и даны в табл. 1. Перепады давления на поршнях, зависящие также от положения золотника, приведены там же. Надстрочные индексы определяются положением золотника гидропанели.

Таблица 1.

Определенные значения, , используются для расчета потерь давления по принятому значению линии нагнетания.

В табл. 2 указаны номера трубопроводов линии слива и значения расхода.

Таблица 2.

Звездочкой (*) обозначены номера трубопроводов, рассчитываемые с учетом синхронизатора.

Таким образом, задав значение для конкретной схемы, определим расходы в линии слива, , и по ним найдем в расчетной точке для всех трубопроводов линии слива. Здесь не устанавливается конкретное численное значение расхода (это будет сделано дальше). Затем строим характеристики всех трубопроводов линии слива по расходу в линии нагнетания. Эта зависимость также линейна. Таким образом, потери рассчитываем по, а строим по расходу в линии нагнетания. В итоге имеем две серии характеристик трубопроводов, построенных по подаче насоса .

В результате получена более простая гидравлическая схема. Например, для схемы 1-I рассматриваемый участок имеет вид, приведенный на рис. 5.

Рис. 5.

гидравлический система трубопровод насос Аналогично выглядит этот участок и для других схем. Cиловые цилиндры представлены эквивалентными сопротивлениями, потери давления в которых (и) не зависят от расхода; при этом расход на них меняется со значения на .

2.2 Упрощение гидравлической системы В результате проведенных мероприятий имеем гидравлическую систему, состоящую из трубопроводов, соединенных последовательно и параллельно. Работа их описывается характеристиками, которые можно суммировать, в результате чего система будет упрощаться.

В случае последовательно соединенных трубопроводов характеристики суммируются по вертикали, т. е. потери давления складываются при одном и том же расходе (рис. 6).

Рис. 6.

Рис. 7.

Для параллельно соединенных трубопроводов характеристики суммируются по горизонтали, т. е. складываются расходы при одних и тех же потерях (рис.7).

Рис. 8.

Рис. 9.

Используя полученные ранее характеристики отдельных элементов, проводим суммирование. Например, для схемы 1-I суммируем элементы по линии АД (рис. 8).

В силу симметрии два пятых и два шестых трубопровода можно рассчитать сразу вместе по расходам и соответственно. Либо рассчитывать пятый по, а шестой по, а затем просуммировать, как параллельные. Аналогично рассчитываются указанные трубопроводы в других схемах. Далее трубопроводы 4,(5+5),(6+6), 7 суммируем, как последовательные, и поднимаем на величину (влияние цилиндров). В итоге имеем характеристику эквивалентного трубопровода, заменяющего линию АД.

Суммируя аналогично характеристики на линии ВС, также получим характеристику эквивалентного трубопровода (рис. 9).

Для схемы 1-I имеем только последовательно соединенные участки.

Рис. 10.

На этом этапе расчета участок схемы с цилиндрами имеет вид, приведенный на рис. 10.

Далее проводим суммирование элементов новой конфигурации. Характеристики элементов 10, ВС и 11 суммируем, как последовательные, а затем суммируем с элементом АД, как с параллельным, т. е. проводим суммирование по горизонтали.

Таким образом, получаем эквивалентную характеристику ABCD (рис.11). Отметим, что соотношение и может быть и другим.

Рис. 11.

В результате имеем гидравлическую схему, состоящую из одних последовательно соединенных элементов, в характеристики которых включены все гидроагрегаты (рис.12).

Рис. 12.

Проводим суммирование характеристик элементов системы как последовательно соединенных между собой, при этом снимаем указанные характеристики из предыдущих графиков.

Рис. 13.

Таким образом, получена характеристика всей гидравлической системы (рис.13) как единого трубопровода, построенная по расходу в линии нагнетания, при этом отдельные трубопроводы линий нагнетания и все трубопроводы линий слива рассчитаны по своим расходам.

3. Построение характеристики насоса В гидравлических системах, выполняющих механическую работу, требующую высокого давления, применяют, как правило, роторные насосы различных типов (шестеренчатые, пластинчатые, винтовые, радиально-роторные и др.). Здесь не рассматриваются особенности их конструкций и области их применения.

Основным фактором, определяющим выбор того или иного насоса, есть диапазон рабочего давления. Для всех типов насосов характеристика при постоянных оборотах практически линейна (рис. 14). Теоретическое значение подачи зависит от рабочего объема насоса и числа оборотов и не зависит от давления нагнетания:

.

где — объем рабочих камер насоса;

— число оборотов ротора.

Рис. 14.

Реальная подача определяется с учетом утечек. Потери подачи (утечки) внутреннего характера зависят от конструкции насоса, развиваемого давления, степени износа элементов насоса и вязкости жидкости. Упрощенно утечки можно определить так:

.

где — динамический коэффициент вязкости;

m = ?, что соответствует ламинарному режиму течения в зазорах.

Коэффициент, А учитывает конструктивные и технологические факторы. Таким образом, реальная подача.

.

Для конкретного насоса и рабочей жидкости.

.

Параметр C можно принять в пределах C = (3…8)10−6 м3/сМПа.

Эта характеристика весьма «жесткая», и в случае незначительного уменьшения подачи жидкости на выходе может произойти разрушение корпуса насоса или другого слабого звена. Для предотвращения этого устанавливается противоперегрузочный клапан, который стравливает часть жидкости в зону всасывания. Его работа начинается в точке «F». Желательно не доводить насос до этого режима, т.к. при этом значительно падает КПД насоса.

На рис. 13 приведена характеристика насоса. Устойчивая работа «насос-гидросистема» будет в точке пересечения характеристик с значениями, .

При определении рабочей подачи насоса и построении характеристики насоса необходимо выдержать одинаковое время рабочих циклов в обеих линиях.

Рабочие подачи в линиях «Ш» и «Н».

,.

где , — рабочие объемы цилиндров.

4. Определение параметров рабочих циклов гидросистемы Разделение подачи в линии нагнетания на и, при разном давлении в цилиндрах и, для заданных усилиях на штоках, показано на рис. 13.

В том случае, если давления и одинаковы характеристики AD, ABCD, (10+BC+11) и характеристика системы будет выходить из одной точки (), а характеристика ABCD не будет иметь излома.

Гидравлические характеристики системы позволяют определить ход штоков цилиндров, подачу в линиях, рабочие усилия на штоках, мощность насоса на рабочем режиме, КПД системы и др.

Для определения хода штоков определим отношение подач.

.

С другой стороны можно найти по потерям давления в трубопроводах из выражений для по табл. 1 для каждой из четырех схем:

.

где численное значение знаменателя выражения для расхода в соответствующей схеме по табл. 1,.

значение числителя в том же выражении.

Задавшись значением длины одного штока (или) определим длину другого штока из выражений приведенных ниже.

В положении золотника гидропанели I.

В положении золотника II.

Отношения и должны находится в пределах от 3 до 12.

В случае выхода того или другого отношения из этого условия необходимо перезадать длину или .

После определения значений и находим действительные подачи в линиях.

В положении золотника I.

.

В положении золотника II.

,.

где заданное время.

Рабочая подача насоса.

.

Давление в линии подачи () определяется по характеристике системы при рабочем значении. Вторая точка линейной характеристики насоса, которая находится на горизонтальной оси.

.

Соответствующие расходы в линии слива.

;

;

.

где и определяется по табл. 1.

Усилия на штоках находятся из приводимых выражений.

В положении золотника I.

.

В положении золотника II.

.

Скорости перемещения штоков в положении золотника I.

.

В положении золотника II.

.

.

Мощность насоса на рабочем режиме.

.

Коэффициент полезного действия гидравлической системы без учета КПД насоса определяется по полезной работе, производимой гидроцилиндрами:

.

Число Рейнольдса находят по наибольшей скорости в гидросистеме:

.

или.

.

В заключение отметим, что изложенный здесь подход можно распространить и на более сложные системы. Режим течения может быть не только ламинарным, но и турбулентным или смешанным. В последних случаях характеристики отдельных участков или всех будут нелинейными и потребуются более сложные расчеты.

Кроме этого, методом последовательных приближений можно учесть противодавление в линии слива на работу цилиндров. Целесообразно подобрать параметры гидросистемы такими, чтобы все цилиндры включались в работу одновременно.

Необходимо также иметь информацию о потерях энергии в гидроагрегатах с учетом взаимного влияния. Эти сведения важны особенно для многофункциональных агрегатов и могут быть получены на основе эксперимента или опыта проектирования подобных систем.

Приложение условия для выполнения РГР По заданным геометрическим параметрам элементов гидросистемы, давлению в цилиндрах, времени рабочего цикла, физико-механическим параметрам жидкости необходимо определить:

1) гидравлические характеристики трубопроводов, отдельных элементов и системы в целом;

2) характеристику насоса;

3) усилия на штоках и их длину;

4) значения рабочего давления, подачи, мощности насоса, КПД гидросистемы и числа Re.

Дополнительные условия для выполнения РГР:

1. Диаметры всех трубопроводов одинаковы.

2. Принять ламинарный режим течения с последующим уточнением.

3. Учесть только указанные местные сопротивления, потери в которых определяются по приведенным данным.

4. Инерционным и геометрическими напорами в системе пренебречь.

5. Расчеты проводить в системе СИ.

6. Результаты расчетов однотипных элементов свести в таблицы.

7. Оформление работы должно соответствовать требованиям ГОСТа.

В табл. П. 1 и П. 2 даны исходные значения вязкости, плотности, усилия на штоках, диаметры и ход штока силовых цилиндров, а также геометрические данные трубопроводов для конкретных расчетов.

Таблица П. 2.

Библиографический список Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Башта, Т. М. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. — М.: Машиностроение, 1982. — 426 с.

Грайворонський В.А. Гідравліка: зб. задач / В. А. Грайворонський. — Х.: НАКУ «ХАІ», 2000. — 74 с.

Некрасов Б. Б. Сборник задач по гидравлике / Б. Б. Некрасов. — М.: Оборонгиз, 1947. — 112 с.

Грайворонский Виктор Андреевич расчеты параметров гидравлической системы Редактор Т. В. Савченко Св. план, 2008.

Подписано в печать 28.03.2008.

Формат 60×84 1/16. Бум. офс. № 2. Офс. печ.

Усл. печ. л. 1,5. Уч. -изд. л. 1,75. Т. 250 экз. Заказ 165. Цена свободная Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского.

«Харьковский авиационный институт».

61 070, Харьков-70, ул. Чкалова, 17.

http://www.khai.edu.

Издательский центр «ХАИ».

61 070, Харьков-70, ул. Чкалова, 17.

izdat@khai.edu.