Расчет гидроцилиндра
Введение
Раздел механики, в котором изучают равновесие и
движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми
ею телами или ограничивающими ее поверхностями, называется гидромеханикой.
Науку о законах равновесия и движения жидкостей
и о способах приложения этих законов к решению практических задач называют
гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости,
ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и
закрытых руслах (каналах). В понятие «русло» или «канал» включают поверхности
(стенки), которые ограничивают и направляют поток, следовательно, не только
русла рек, каналов и лотков, но и различные трубопроводы, насадки, элементы
гидромашин и других устройств, внутри которых протекает жидкость.
Под гидроприводом понимают совокупность
устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин
посредством рабочей жидкости под давлением. В качестве рабочей жидкости в
станочных гидроприводах используется минеральное масло.
Применение гидроприводов в станкостроении
позволяет упростить кинематику станков, снизить металлоемкость, повысить
точность, надежность и уровень автоматизации.
Широкое использование гидроприводов определяется
рядом их существенных преимуществ перед другими типами приводов и, прежде
всего, возможностью получения больших усилий и мощностей при ограниченных
размерах гидродвигателей. Гидроприводы обеспечивают широкий диапазон
бесступенчатого регулирования скорости, возможность работы в динамических
режимах с требуемым качеством переходных процессов, защиту системы от
перегрузки и точный контроль действующих усилий. С помощью гидроцилиндров
удается получить прямолинейное движение без кинематических преобразований, а
также обеспечить определенное соотношение скоростей прямого и обратного ходов.
Гидроприводы имеют недостатки, которые
ограничивают их использование в станкостроении. Это потери на трение и утечки,
снижающие КПД гидропривода и вызывающие разогрев рабочей жидкости.
При правильном конструировании, изготовлении и
эксплуатации гидроприводов их недостатки могут быть сведены к минимуму. Для
этого нужно хорошо знать унифицированные узлы гидропривода и типовые узлы
специального назначения.
1. Определение диаметра
гидроцилиндра Dц и диаметра штока d
а) Выбираем рабочее давление в гидроцилиндре P,
для чего используем рекомендации о соответствии между P и F.
Согласно исходным данным: P1 = 1,3 МПа, P2 = 2,1
МПа, P3 = 3,3 МПа.
б) Согласно рекомендации о соответствии между P
и dшт/Dп принимаем dшт/Dп = 0,5.
в) Пренебрегая сопротивлением трения в
уплотнениях и противодавлением, находим площадь поперечного сечения
гидроцилиндра:
тогда диаметр гидроцилиндра:
Дальнейший расчёт проводится по наибольшему
диаметру, в соответствии с ГОСТ 12447-80. [3] принимаем D=110 мм.
Тогда площадь гидроцилиндра:
Значит, диаметр штока будет равен:
В соответствии с ГОСТ 12447-80 принимаем 
=56мм.
Тогда площадь штока:
. Определение потребной подачи
насоса
3. Определение наибольшего и
наименьшего расходов рабочей жидкости в гидролиниях
. Выбор диаметров гидролиний
Для упрощения расчетов принимаем диаметр
трубопроводов одинаковым для всех гидролиний.
В соответствии с рекомендациями принимаем
скорость течения жидкости в трубопроводе Vср = 2 м/с.
Откуда диаметр трубопровода:
Принимаем согласно ГОСТ 12447-80 dтр = 36 мм.
5. Выбор рабочей жидкости
Рабочие жидкости бывают на нефтяной и
синтетической основе. В основном применяют рабочие жидкости на нефтяной основе
с различными улучшающими свойства масел присадками. Присадка способствует
сохранению механических свойств масел при повышенных температурах, уменьшают
пенообразование, улучшают их сопротивление износу и антикоррозионные свойства.
Концентрация присадок в рабочих жидкостях составляет от 0,05% до 22%.
Рабочая жидкость должна удовлетворять двум
условиям:
) Температура застывания должна быть на 15-20 0С
ниже наименьшей температуры окружающей среды.
) При давлении до 7 МПа рекомендуется применять
минеральные масла, имеющие 
=(16,5…20,5) 10-6
м2/с при t =50 0C.
Выбираем масло индустриальное ИГП - 18. Оно
имеет tзаст = -15 0С, что на 20оС ниже заданной минимальной температуры (5оС) и
при t = 50оС имеем 
= 18∙10-6
м2/с, поэтому первое условие выполнено.
Температура окружающего воздуха tокр = 30оС.
Также этим условиям удовлетворяют масла:
ИС - 30;
ИС - 20;
ВМГЗ;
МГ8;
МГ10.
Рис. 1
АМГ-19
ВМГЗ
Трансформаторное
АУ
Индустриальное ИС-12
Индустриальное ИС-20
Турбинное - 22
Индустриальное ИС-30
Турбинное - 30
Индустриальное - 45
Индустриальное - 450
Дизельное ДП-8 (МГ-8), ДП-11 (МГ-10)
МГЗ
ВГМ
Марка А
6. Определение типоразмера
гидрораспределителя
Типоразмер определяем из условия:Qнаиб. 
Qтабл.
где Qтабл - рекомендованный максимальный расход
через гидрораспределитель.
Выбираем типоразмер гидрораспределителя Р-203,
который обеспечивает пропускную способность жидкости Qmax = 170 л/мин.
Потери давления в секциях p=0,53МПа, тонкость
фильтрации 10 мкм.
Номинальное давление pномин = 32 МПа.
Максимальное давление pmax = 32МПа.
Максимальная утечки 200 см3/мин.
7. Определение типоразмера фильтра
Согласно заданию выбираем на сливную магистраль
тип фильтра ФС
.
Типоразмер определяем из условия 
.
Его пропускная способность 
=
400л/мин; номинальное давление Р=0,63 МПа; перепад давления 0,1 МПа, тонкость
фильтрации 25 мкм.
На напорную магистраль выбираем дисковый
сетчатый фильтр ФС
.
гидроцилиндр шток теплоизолирующий
поверхность
8. Выбор гидронасоса
Для выбора насоса необходимо знать подачу Q и
величину давления нагнетания Pн, которую определяем из условия:
где:
-гидросопротивление
в гидролинии: насос - гидроцилиндр;
-гидросопротивление
в гидролинии: гидроцилиндр - бак;
DPз-гидросопротивление в золотнике;
DPз сл-сопротивление в золотнике при сливе;
DPф-гидросопротивление в фильтре;
wшт-площадь штока;
wц-площадь гидроцилиндра;усилие на штоке
гидроцилиндра;тр-требуемое давление.
Коэффициент сопротивления в напорной магистрали Sx:
3(входа)xвх+
6(углов)xу
+ 7(тройники)xт +1(гидроклапан)xгк +
+1(дроссель)xд+ + 3(штуцера)xшт
где:
xвх-коэффициент входа в гидроаппарат (0,9);
xвых-коэффициент выхода из гидроаппарата (0,7);
xу-коэффициент сопротивления в углах поворота
(0,15);
xт-коэффициент сопротивления в тройниках (2);
xгк-коэффициент сопротивления в гидроклапане (2);
xд-коэффициент сопротивления в дросселе (2,5);
xшт-коэффициент сопротивления в штуцере (0,1);
Подставляя известные величины, получим:
Потери в сливной гидролинии будут равны:
Коэффициент сопротивления в сливной магистрали Sx:
3(выхода)xвых+
5(углов)xу
+ 7(тройники)xт +1(гидроклапан)xгк +
3(штуцера)xшт
Подставляя известные величины, получим
гидравлическое сопротивление в сливной гидролинии.
Уплотнительные устройства предназначены для
предотвращения наружных и внутренних утечек рабочей жидкости. Поскольку рабочей
средой гидравлических приводов являются жидкости, то в местах разъёма и, тем
более, в подвижных соединениях возникает необходимость в уплотнительных
устройствах.
Принимаем уплотнение для поршня: U-образные
резиновые манжеты
ГОСТ 14896-84.
Коэффициент трения μ=0,1…0,13.диаметр
уплотняемой поверхности 71 ммширина манжеты 9 ммдавление масла 4 МПа ;
pk-контактное давление(2…5) МПа
Тогда трение в подвижном соединении:
Подставляя приведенные расчетные данные в
формулу, получим:
Насос должен обеспечить подачу Q = 119 л/мин при
Pн = 2,76 МПа. Этому условию удовлетворяет пластинчатый насос типа 2Г12-55АМ; с
рабочим объёмом 80 см3; давление Pmax = 6,3МПа; частота вращения 1500 об/мин;
КПД 0,9; масса 46кг.
9. Расчет и выбор регулирующей
гидроаппаратуры
Площадь сечений проходных окон и каналов
определяем по формуле:
где: Q - поток рабочей жидкости через сечения; V
- скорость потока жидкости.
Перепад давления на дросселях:
где: 
-
плотность жидкости; 
- расход жидкости;
-
площадь сечения дроссельного отверстия; 
коэффициент
местного сопротивления; b - поправочный коэффициент, учитывающий влияние
вязкости на местные потери давления.
Выбираем дроссель типа ПГ типоразмера ПГ77-12 с
рабочим давлением 20МПа табл. 5,13 [с. 146, 3].
10. Расчет КПД гидропривода машины
Коэффициент полезного действия гидропривода
позволяет установить эффективность спроектированной машины.
Общий КПД гидропривода:
Гидравлический КПД:
где: Рном - номинальное давление в гидросистеме
(6,3 МПа); 
- суммарные потери
давления(0,53+0,63+0,1+0,2+0,247+0,245=1,952 МПа).
Механический КПД:
где: 
,
,
-
механические КПД соответственно насоса, распределителя и гидродвигателя.
Объемный КПД:
где: 
,
,
-
объемные КПД соответственно насоса, распределителя и гидродвигателя принимаем
равным 1.
11. Выбор вместимости гидробака и
определение площади теплоизлучающих поверхностей
Согласно ГОСТ 12448-80 выбираем вместимость
гидробака 200 л.
Площадь теплоотдачи:
Площадь теплоизлучающих поверхностей
гидропривода:
12. Тепловой расчет гидропривода
Количество тепла, получаемое в единицу времени:
где: кп = 0,6 - коэффициент продолжительности
работы под нагрузкой;
кд =0,7 - коэффициент использования номинального
давления.
Определение установившейся температуры рабочей
жидкости:
Так как установившаяся температура рабочей
жидкости не превышает предельно допустимую, то в гидроприводе нет необходимости
применять теплообменник.
Определяем текущую температуру рабочей жидкости
в гидроприводе по формуле:
где: 
-
время за которое выделяется тепло; 
-
масса гидропривода и рабочей жидкости; 
-
средняя теплоемкость материалов.
В этой формуле неизвестной величиной является
только средняя удельная теплоемкость:
где: 
-
теплопроводность рабочей жидкости; 
-
теплоемкость материала; 
- масса
гидрооборудования; 
- масса рабочей
жидкости.
Определяем массу жидкости, полагая, что ее объем
в гидросистеме превышает объем в гидробаке в 1,5 раза:
Предавая значения 
,
определим текущую температуру, через 1200 с. после начала работы:
Литература
1.
Башта Т.М., Руднев Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для
машиностроительных вузов. - М., 1982. - 423 с.
.
Каверзин С.В. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных
машин: Учебное пособие. - Красноярск, 1997. - 384 с.
.
Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы: Справочник. - М.:
Машиностроение, 1988. - 512 с.