книги / Расчет гидросистемы управления рабочим органом транспортно-технологической машины
..pdf
Диаметр штока dш определяем в зависимости от усилия на штоке:
Усилие на штоке F, |
Менее 1 |
1–30 |
30–60 |
60–100 |
Более |
кН |
|
|
|
|
100 |
Диаметр штока dш, м |
(0,2–0,3)Dст |
(0,3–0,4) Dст |
0,5 Dст |
0,6 Dст |
0,7 Dст |
В случае, когда рабочий ход совершается в обе стороны и заданы оба усилия (тянущее и толкающее), возникающие при перемещении груза (нагрузки), при выборе гидроцилиндра принимается наибольшее значение диаметра, полученное по приведенным формулам.
Принятое значение диаметра во всех случаях округляется в большую сторону до ближайшего стандартного.
Площади поршня в поршневой полости S1 и в штоковой полости S2 определяются по формулам:
S = |
πD2 |
и S |
|
= |
π(D2 |
−dш2 |
) |
. |
|
2 |
|
|
|
||||
1 |
4 |
|
|
4 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
При подаче жидкости в поршневую полость расход гидроцилиндра (м3/с)
Q= πDст2 vп ,
ц4ηоб
где ηоб – объемный КПД, ηоб = 0,98…0,99; vп – скорость движения поршня, м/с; Dст – стандартный диаметр гидроцилиндра, м.
При подаче жидкости в штоковую полость расход гидроцилиндра (м3/с)
π(D2 −d 2 )v
= ст ш п Qц 4ηоб .
Мощность гидроцилиндра (кВт)
Nц = F vп,
где F – усилие на штоке, кН; vп – скорость движения поршня, м/с.
11
По величине хода поршня, номинальному давлению, внутреннему диаметру цилиндра и диаметру штока выбираем серийно выпускаемый гидроцилиндр из справочника.
Определение параметров гидромотора
В гидроприводах строительно-дорожных машин (СДМ) наибольшее распространение получили низкомоментный аксиальнопоршневой и высокомоментный радиально-поршневой гидромоторы.
Исходя из кинематической схемы нагружения гидромотора, необходимо вычислить, каким моментом он нагружен при выполнении работы. Затем определить необходимую мощность для выполнения данной работы.
Мощность гидромотора Nм (Вт) при заданных моменте на валу и числе оборотов вала определяется по формуле
Nм = Ммπnм ,
30
где Mм – момент на валу, H·м; nм – число оборотов выходного вала, об/мин.
По найденным мощности, моменту и заданному числу оборотов выбираем серийный гидромотор (из справочника выписываем рабочий объем, номинальное давление, максимальный момент на валу, КПД, число оборотов, марку).
Для выбранного гидромотора уточняем расход и рабочее давление:
1. Расход гидромотора (л/мин)
Qм = qηмnм ,
об
где qм – рабочий объем гидромотора, л (из справочника для выбранной модели гидромотора); nм – заданное число оборотов вала гидромотора, об/мин; ηоб – объемный КПД гидромотора.
12
Если рабочий объем задан в см3, рассчитываем по формуле:
Qм = ηqмnм 3 .
об 10
2. Рабочее давление гидромотора (Па)
Рм = 2πМмηηоб ,
qм
где Mм – момент на валу гидромотора, H·м; ηоб – объемный КПД гидромотора; η – полный КПД гидромотора; qм – рабочий объем гидромотора, м3.
Найденное рабочее давление должно быть меньше принятого в системе.
Определение параметров насоса
Полезную мощность насоса Nн.п (кВт) определяют, исходя из мощности гидродвигателя, с учетом потерь энергии при ее передаче от насоса к гидродвигателям по формуле
Nн.п = kз.сkз.уNг,
где kз.с – коэффициент запаса по скорости, учитывающий возможные утечки рабочей жидкости в подвижных соединениях, kз.с = 1,05…1,2; kз.у – коэффициент запаса по усилию, учитывающий возможные потери давления на путевые и местные сопротивления, kз.у = 1,05…1,2; меньшее значение применяется при легком режиме работы гидропривода, большее – при тяжелом режиме; Nг – наибольшая суммарная мощность гидродвигателей (гидромотор и гидроцилиндр), работающих в одном рабочем цикле.
Исходя из составленной гидросхемы, определяем, сколько насосов работает в рабочем цикле, как подключены насосы (один насос питает гидроцилиндр и гидромотор, или в схеме присутствуют два насоса: один питает гидромотор, другой гидроцилиндр). В зависимости от этого будет разная мощность, приходящаяся на насос.
13
Зная необходимую полезную мощность насоса, можно найти подачу Qн (дм3/с) или рабочий объем qн (дм3) насоса:
|
Q = |
Nн.п |
, |
q = |
Nн.п |
, |
|
|
|||||
|
н |
Р |
н |
Р n |
|
|
|
|
н |
|
н н |
|
|
где Nн.п |
– полезная мощность насоса, кВт; |
Рн – давление насоса, |
||||
МПа; nн |
– частота вращения вала насоса, |
об/с (задается самостоя- |
||||
тельно в зависимости от вида приводного двигателя, можно принять от 1000 до 2000 об/мин).
С учетом потерь в гидролинии рабочее давление насоса Рн определяется по формулам:
Рн = 1,05Рм; Рн = 1,05Рц.
Из полученных значений выбирается наибольшее.
По давлению Рн и подаче Qн или рабочему объему насоса qн
выбираем насос по справочнику. Следует выбрать насос с подачей, ближайшей к расчетному значению в большую сторону. Насос, предназначенный для больших рабочих давлений, применим в системах, имеющих низкое значение рабочих давлений, если он имеет соответствующую подачу.
По технической характеристике выбранного насоса производят уточнение действительной подачи насоса:
Qн.д = qн.дnнηоб,
где Qн.д – действительная подача насоса, дм3/с; qн.д – действительный рабочий объем насоса, дм3; ηоб – объемный КПД насоса.
Выбор типа насоса зависит от режима работы гидропривода
иконструктивных ограничений. В гидросистемах с легким и средним режимами работы целесообразно применять шестеренные насосы, а с тяжелым – аксиально-поршневые. Шестеренные насосы имеют более высокий объемный КПД при низких температурах
иболее низкий КПД при высоких температурах, чем аксиальнопоршневые.
14
3.4.Выбор гидроаппаратуры
Вкачестве устройств управления потоком в гидроприводах строительно-дорожных машин в основном применяют секционные
распределители с ручным управлением, реверсивные золотники с гидравлическим и электрическим управлением, а также клапаны
идроссели различных типов. Расчеты элементов гидроаппаратуры приводятся в соответствующей литературе.
Предохранение от перегрузок по давлению в объемных гидроприводах осуществляется за счет ограничения давления рабочей жидкости в напорных гидролиниях с помощью предохранительных
ипереливных (перепускных) гидроклапанов. Предохранительные клапаны срабатывают при перегрузках и ограничивают максимальное давление в гидроприводе; переливные поддерживают определенное давление за счет непрерывного слива рабочей жидкости из напорной в сливную или всасывающую гидролинии.
Уменьшение динамических нагрузок в гидросистеме при работе машины достигается установкой гидроаккумулятора, который гасит пики давлений, возникающих в гидроприводе.
Для обеспечения свободного прохода рабочей жидкости только в одном (прямом) направлении применяют обратные клапаны. Технические характеристики предохранительных клапанов, напорных золотников и обратных клапанов приведены в справочной литерату-
ре [2, 5].
Выбор типа и марки распределителя осуществляется по номинальному давлению, расходу и количеству гидродвигателей. Количество секций и разводку каналов внутри секций необходимо проектировать самостоятельно на основе распределителей, используемых в СДМ.
Для осуществления равномерного движения поршней гидроцилиндров при тянущем и толкающем движении необходимо в гидросхему включить делитель потока и редуктор давления.
15
3.5. Выбор рабочей жидкости
Рабочие жидкости должны сохранять химический состав и физические свойства при изменениях температуры, давления и скорости; должны быть нейтральными к материалам уплотнения, металлам, покрытиям и пластмассам; должны быть пожаробезопасными, нетоксичными, иметь хорошие диэлектрические свойства, иметь почти стабильную вязкость в диапазоне рабочих температур, высокий объемный модуль упругости, малую упругость паров и высокую температуру кипения.
Перечисленным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют минеральные масла нефтяного происхождения.
Вобъемных гидроприводах машин и оборудования, эксплуатирующихся на открытом воздухе при температуре от +50 до –60 °С, уровень вязкости рабочей жидкости в условиях эксплуатации должен находиться в пределах 20–200 сСт (мм2/с). Максимальная температура рабочей жидкости в гидросистеме не должна превышать
70–80 °С.
При эксплуатации гидропривода в условиях, когда рабочая жидкость имеет вязкость, выходящую за пределы, рекомендуемые производителем, следует в конструкции машины предусматривать теплообменные устройства, которые позволяют (при необходимости) подогревать или охлаждать жидкость с целью получения оптимальной вязкости.
Всоответствии с заданной температурой окружающей среды
идавлением в гидросистеме необходимо выбрать рабочую жидкость из каталога.
3.6.Расчет трубопроводов
Вкачестве трубопроводов следует применять стальные бесшовные холоднотянутые трубы.
16
Расчет трубопроводов включает в себя гидравлический расчет и расчет на прочность.
Под гидравлическим расчетом понимают определение внутреннего диаметра трубы на основе рекомендованных значений скорости потока рабочей жидкости. Для всасывающей линии скорость потока 0,7–1,2 м/с, для сливной 2–3 м/с, для напорной 3–6 м/с. Меньшее значение принимается для машин северного исполнения.
Внутренний диаметр (м) трубы определяется по формуле
d = 4,6 10−3 Q |
, |
v |
|
где Q – расход жидкости по данной линии (напорной, всасывающей, сливной), л/мин; v – скорость потока в данной линии, м/с.
Расчеты следует произвести отдельно для напорной, сливной и всасывающей линии.
При расчете диаметра напорного трубопровода скорость потока рабочей жидкости выбирают в соответствии с давлением в гидролинии:
Давление |
1 |
2,5 |
5 |
10 |
15 |
20 |
|
в гидролинии, МПа |
и более |
||||||
|
|
|
|
|
|||
Скорость потока, м/с |
1,3 |
2 |
3 |
4,5 |
5,5 |
6 |
Следует помнить, что завышение скорости потока рабочей жидкости приводит к уменьшению диаметра трубопроводов, а занижение скорости к его увеличению.
Толщина стенок (мм) трубопроводов рассчитывается по формуле
δс =δ1 +δ2 ,
где δ1 – часть толщины, обеспечивающая необходимую прочность трубы; δ2 – часть толщины, обеспечивающая необходимую долго-
вечность трубы.
Для обеспечения необходимой прочности толщина
17
δ1 =1, 25σРd , 0,8 в
где Р – давление в соответствующей гидролинии, МПа; σв – вре-
менное сопротивление разрыву (для сталей 350–420 МПа); d – внутренний диаметр трубопровода, м.
Обычно принимают δ2 = 1 мм, полагая, что скорость коррозии
составляет 0,1 мм в год, а срок службы установки 10 лет.
Из условия механической прочности (случайные удары и т.п.) толщина стенки должна быть не менее 2 мм, т.е. δс > 2 мм.
Окончательные значения внутреннего и наружного диаметра и толщины стенки выбирают по ГОСТ.
Аналогично выбирают параметры рукавов высокого давления.
3.7. Расчет и выбор фильтра
При выборе фильтра следует иметь в виду следующие практические рекомендации:
1.Если гидросистема имеет две или более насосных установки, обеспечивающих работу нескольких гидродвигателей, то сливную магистраль рекомендуется проектировать общую и устанавливать один фильтр; выбор фильтра следует проводить по суммарной подаче насосов.
2.Если применения одного унифицированного фильтра недостаточно, то можно выбрать два одинаковых фильтра и параллельно соединить их на сливной магистрали.
В настоящее время устанавливается следующая тонкость фильтрации рабочей жидкости, определяемая минимальными размерами частиц: грубая – до 100 мкм; нормальная – до 40 мкм; тонкая – до 10 мкм.
Допустимый перепад давления на фильтре определяется типом фильтра.
Выбор стандартных фильтров осуществляется по номинальному потоку жидкости, давлению и требуемой номинальной тонко-
18
сти фильтрации, которую устанавливают согласно паспорту гидравлических машин и гидроаппаратов. Обычно в гидросистемах СДМ устанавливают фильтры с тонкостью фильтрации 25; 40; 63 мкм.
Фильтр можно установить на сливную, напорную или всасывающую магистраль. В зависимости от того, где установлен фильтр, гидросистема будет вести себя по-разному, поэтому место установки фильтра необходимо обосновать.
3.8. Расчет общего КПД гидросистемы
КПД гидропривода позволяет установить эффективность всей системы. Для оптимально разработанной схемы общий КПД находится в пределах 0,6–0,8.
Общий КПД гидросистемы – отношение полной мощности всех гидродвигателей N (гидроцилиндр и гидромотор), которую они отдают, к потребляемой мощности насоса Nн (которую он потребляет):
η= N .
Nн
Полная мощность гидропривода равна мощности, потребляемой насосом:
Nн = PномηQн.д ,
н
где Рном – номинальное (рабочее) давление насоса; Qн.д – действительная подача насоса; ηн – полный КПД насоса.
Полезная мощность определяется из условия одновременной работы гидродвигателей. Для гидроцилиндров полезная мощность (Вт)
Nцпол = F vп,
где F – усилие на штоке, Н; vп – скорость движения поршня, м/с.
19
Для гидромоторов полезная мощность (Вт)
Nмпол = 2π Мм nм,
где Мм – момент на валу гидромотора, Н·м; nм – число оборотов вала гидромотора, об/с.
3.9. Определение объема масляного бака
Объем бака должен обеспечивать отстой рабочей жидкости. Полезный объем бака обычно не превышает двухминутной производительности насоса, иногда полезный объем увеличивают до трехминутной производительности насоса на максимальных оборотах. При этом величину емкости бака округляют до ближайшего рекомендуемого значения.
Масляный бак обычно сваривают из листовой стали. Внутри бака делается сквозная перегородка, разделяющая бак на два неравных отсека. В большой отсек сливается рабочая жидкость из системы; из меньшего отсека производится забор жидкости насосом. Толщина стенок бака и перегородки назначается от 0,8 до 2 мм. При больших размерах бака рекомендуется на стенках и днищах выдавливать желобки жесткости (зиги).
Рекомендуются следующие значения объема (л) масляного ба-
ка:
– для гидропривода бульдозера, автогрейдера
Vб = (1,2…1,5)Qн;
– для гидропривода экскаватора, погрузчика, крана
Vб = (1,5…2)Qн;
– для гидропривода стационарных машин
Vб = (2…3)Qн.
В общем случае объем бака принимают равным двух-трехми- нутной подаче насоса.
20