Гидроцилиндр и гидросистема

Гидроцилиндр и гидросистема

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

Тульский государственный университет

Политехнический институт

Кафедра "Механика пластического формоизменения"

КОНТРОЛЬНО-КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине "ГИДРАВЛИКА"

Выполнил Овчинников А. В.

Студент гр. 430101

Тула 2013

Задание

на контрольно-курсовую работу

Насос 1 (рисунок 1) подает рабочую жидкость через гидрораспределитель 2 в гидроцилиндр 3, поршень которого перемещается со скоростью  и преодолевает рабочее усилие .

Выполнить расчет гидроцилиндра и гидросистемы с целью определения давления, мощности насоса и объема гидробака. Подобрать необходимые гидроагрегаты и рабочую жидкость. При расчете местными потерями в коленях гидролиний пренебречь.

По конструктивным соображениям заданны диаметры поршня  и штока  гидроцилиндра, рабочие скорость , усилие  и ход , а так же длины трубопроводов .

Рисунок 1. Схема гидропривода: 1. Насос; 2. Гидрораспределитель; 3. Гидроцилиндр; 4. Гидробак; 5. Фильтр грубой очистки; 6. Фильтр тонкой очистки; 7. Предохранительный клапан; 8. Манометр; М - электродвигатель.

Исходные данные.

Введение

Задачей данной контрольно-курсовой работы является закрепление полученных знаний и выяснение возможности приложения этих знаний каждым студентом к конкретному проекту гидропривода. При выполнении этой работы студенты приобретают навыки расчета и проектирования гидравлических систем прессов, знакомятся со справочниками и каталогами по гидравлическому оборудованию, с ГОСТами и отраслевыми руководящими материалами.

Проектируемый насосный гидропривод должен отвечать общим техническим требованиям по ГОСТ 17411-72, а его технические параметры соответствовать ГОСТ 12445-87 (давление), ГОСТ 12448-67 (номинальные емкости), ГОСТ 13825-88 (номинальные потоки) и ГОСТ 16516-70 (условные проходы гидролиний). В отношении техники безопасности должны быть удовлетворенны требования ГОСТа 16028-70.

1. Расчет гидроцилиндра

Исходными данными для проектирования и расчета гидроцилиндра обычно являются величины усилия, скорости и хода поршня, возможные диаметральные размеры гидроцилиндра и его схема (тип).

Рабочее давление ,[Па] гидроцилиндра вычисляется по формуле

, (1)

где - рабочее усиление на штоке, Н;

- диаметр поршня, м;

- механический КПД гидроцилиндра ().

,

Расчет на прочность гидроцилиндра производится по условному давлению - , которое превышает рабочее на 20-30 %

. (2)

.

Их условно делят по отношению наружного диаметра  гидроцилиндра к внутреннему:

тонкостенные

толстостенные

Тонкостенные гидроцилиндры применяются при давлениях до 10 МПа, а толстостенные - при большем давлении. Так как Р< 10 МПа, следовательно принимаем цилиндр тонкостенный.

Минимальная толщина стенки для гидроцилиндра определяется по формуле

 (4)

где  допускаемое напряжение в стенке гидроцилиндра;

- предел прочности материала цилиндра;

Назначаем материал цилиндра - кованые из низколегированной стали с прибавка, обусловленная точностью обработки. Назначаем С=0,7мм

МПа;

Окончательная толщина стенки гидроцилиндра принимается с учетом стандартных размеров труб, используемых для изготовления цилиндров по ГОСТ 8734-68 и ГОСТ 8732-68. По ГОСТу 16516-70 выбираем . Проведем проверку ; получаем тонкостенные гидроцилиндры. Условие выполняется.

После этого выбирается конструкция гидроцилиндра, определяются размеры гидравлических каналов подвода и отвода рабочей жидкости, выбираются типы уплотнений поршня, штока и крышек и определяются их размеры.

Конструкцию гидроцилиндра выбирают по справочникам.

Сечение каналов подвода и отвода рассчитывают по допустимым скоростям и расходу рабочей жидкости.

Расход гидроцилиндра подсчитывается по формуле, [м³/с]

 ; (6)

где V - рабочая скорость штока, м/с.

- объемный к.п.д. гидроцилиндра. В расчетах принять .

 ;

Диаметр подводящих каналов, [м]

, (7)

где - допустимая скорость жидкости в каналах гидроцилиндра. Назначаем =3м/с.

м,

По ГОСТу 16516-70 выбираем ,

Поршневой цилиндр.

Рисунок 1. Поршневой цилиндр: 1-втулка; 2-штуцер; 3-удерживающий упор; 4-уплотнение; 5-поршень; 6-уплотнение кольцом; 7-конус;8-шток; 9-труба; 10-уплотнение; 11-передняя крышка; 12-гайка; 13-штоковое уплотнение; 14-чистильщик; 15-резьбовый конец; 16-бронзовая втулка; 17-застопоренная гайка; 18-конический хвостовик; 19-проушина крышки.

Поршневые цилиндры являются цилиндрами двустороннего силового действия. Они бывают с одно- и двусторонним штоком. Наибольшее распространение в горных машинах получили цилиндры с односторонним штоком.

Поршневой цилиндр(рисунок 1) состоит из трубы 9, штока 8, имеющего резьбовый конец 15, поршня 5, передней крышки 11, крепящейся к цилиндру гайкой 12, задней крышки 19, приваренной к трубе цилиндра, подводящих штуцеров 2 и уплотнений. Труба 9, образующая основной рабочий объем, имеет тщательно обработанную поверхность, по которой и совершает в процессе работы возвратно-поступательные движение поршень 5 с уплотнениями 4, удерживающими упорами 3. Шток 8 в зависимости от длины и нагрузок или других факторов может быть сплошным или пустотелым. Пустотелые штоки, как правило, выполняются сварными.

В проушину крышки 19 запрессована втулка 1 для шарнирного соединения с органами машины.

Шток движется в бронзовой втулке 16, запрессованной в переднюю крышку 11. Рабочие поверхности штока в последнее время подвергают хромированию, улучшающему его износостойкость и антикоррозионные свойства. Крепления поршня 5, уплотненного кольцом 6, на штоке 8 осуществляется застопоренной гайкой 17. В передней крышке 11 размещаются уплотнение 10, герметизирующее место соединения крышки с трубой 9 цилиндра, штоковое уплотнение 13 и чистильщик 14. Кроме конического хвостовика 18 перед поршнем устанавливается конус 7. Конические поверхности предназначены для смягчения ударов в конце хода. При движении штока 8 влево в конце хода хвостовик 18 входит в отверстие задней крышки. Вытесняемая из-под поршня жидкость проходит через образовавшуюся кольцевую щель с большим сопротивлением, создавая противоположно направленное усилие. Происходит смягчение удара, притормаживание. Типы и размеры уплотнений выбираются в зависимости от рабочего давления и размеров гидроцилиндров по справочнику [I] (с.193-222).

. Выбор насоса

Давление насоса можно определить как

, (8)

,

где коэффициент 1,2 учитывает все потери давления в гидравлических линиях.

Подача насоса [м³/с] определяется по заданной скорости  выходного звена гидродвигателя и его активной площади , вычисленной при расчете гидроцилиндра.

, (9)

,

где множитель 1,1 учитывает объёмные потери (утечки) в гидроаппаратуре и в гидроцилиндре.

Выбираем пластинчатый насос БГ12-26АМ.

Пластинчатый насос

Рисунок 2. Пластинчатый насос типа Г12-2: 1-нагнетательное отверстие;2-фланец;3-вал;4-корпус;5-диск;6-пружина;7-ротор;8-статор;9-диск;10-крышка;11-лопатки;12,13-окно;14-штуцер;15,16-резиновое кольцо;

Пластинчатые, или лопастные насосы - это ротационные нерегулируемые насосы двойного действия, предназначенные для работы как на давлениях до 6,3Мпа, так и на давлениях до 12,5Мпа.

Пластинчатые нерегулируемые насосы двойного действия с постоянным направлением потока масла предназначены для нагнетания масла в гидросистему одним потоком (насосы в одинарном исполнении) или двумя независимыми потоками (насосы в сдвоенном исполнении). Наибольшее распространение эти насосы получили в различных установках подземного и поверхностного транспорта угольных шахт: толкателях, качающихся площадках, агрегатах для обмена вагонеток в клетях, а также в некоторых буровых установках для выполнения вспомогательных операций.

В корпусе 4 насоса типа Г12-2(Рисунок 2) помещается стальное закаленное кольцо 8 - статор, по внутренней профилированной поверхности которого скользят лопатки 11, свободно перемещающиеся в радиальных пазах ротора 7 (число лопаток может быть разным у различных типов). Ротор сидит на шлицах вала 3, вращающегося в шариковых подшипниках.

К торцам статора и ротора пружинами 6 прижаты диски 5 и 9. В диске 9 имеются два окна 12 для всасывания, а в диске 5 - два окна 13 для нагнетания масла( вращение вала насоса по часовой стрелке при положении наблюдателя со стороны вала насоса).

Лопатки 11 под действием центробежных сил и давления масла, подведенного через отверстия, прижаты к внутренней поверхности статора. Внутренняя поверхность статора спрофилирована так, что каждая камера между двумя соседними лопатками во время соединения с окнами всасывания 12 увеличивает свой объем и заполняется через них маслом, а во время соединения с окнами нагнетания 13 уменьшает свой объем, вытесняя масло через них в линию нагнетания. За один оборот ротора производится два цикла всасывания и два цикла нагнетания. Благодаря диаметрально расположенным подводам и отводам нагрузка на ротор от давления масла уравновешена и подшипники насоса разгружены, а вал передает только крутящий момент.

Соединение крышки 10 с корпусом 4 уплотнено резиновым кольцом 15. Вал 3 уплотнен манжетами, установленными во фланце 2. Диск 5 в корпусе 4 уплотнен резиновым кольцом 16.

Нагнетательное 1 и всасывающее отверстия соединены с соответствующими окнами литыми каналами. Отвод утечек производится через штуцер 14, к которому подсоединяется дренажный трубопровод.

Насос БГ12-26АМ

Насос БГ12-26АМ пластинчатый, двойного действия является нерегулируемый с постоянным направлением потоком масла. Диапазон температур от 0 до 50 С. Требуемая тонкость фильтрации 0,04 мм. Рекомендуемые марки масел: турбинное 22 и 22Л по ГОСТ 32-53 и ВНИИНП-403, ГОСТ 16728-71. Вязкость минеральных масел 200-400мм/с при давлении 12,5 МПа. Допустимая продолжительность работы насоса на максимальном давлении не более 30% общей долговечности.

Техническая характеристика насоса БГ12-26АМ

Рисунок 3. Предохранительный клапан Г52-2: 1-пружина;2-шарик;3-крышка;4-седло;5-пружина;6-золотник;7-корпус;8-депфер;9-отверстие вспомогательного переключателя. А,Б,В,Г-полости

3. Выбор гидроаппаратуры

Предохранительный клапан выбирается по полной подаче и наибольшему давлению насоса. Если наибольшее давление не оговорено в задании и в технической характеристике насоса, то давление настройки предохранительного клапана выбирается на 20% больше давления насоса. Выбираем предохранительный клапан Г52-2.

Предохранительный клапан Г52-2

Конструкция клапана типа Г52-2 приведена на рисунке 3. Жидкость к клапану подводится от насоса к полости Б и одновременно через систему отверстий поступает в полости А и Г. Когда давление в системе преодолевает усилие пружины 1 шарикового клапана, шарик 2 отходит от седла 4 и масло в небольшом количестве из полости А через клапан и отверстия в крышке 3 и корпус 7 поступает в полость В слива, подключенную к баку. Давление в полости А благодаря демпферу 8 падает, в результате чего золотник 6 приподнимается и соединяет полости Б и В. При падении давления в сети золотник 6 под действием пружины 5 возвращается в исходное положение.

Дистанционное управление разгрузкой осуществляется подсоединением через отверстие 9 вспомогательного переключателя(крана или золотника управления), которой соединяет полость А со сливом. Для подсоединения переключателя к клапанам резьбового и фланцевого присоединений необходимо вместо пробки установить штуцер с трубкой.

Технические характеристики предохранительных клапанов типа Г52-2

Гидрораспределитель

Гидрораспределитель выбирается по справочникам и каталогам в зависимости от давления и подачи примененного насоса с учетом задания и специальных технических требований. Допускается применять гидрораспределители при увеличенных расходах, но не более чем на 40%, по сравнению с указанными в их технических характеристиках. Потеря давления при этом подсчитывается по выражению:

; (10)

где  - соответственно потеря давления и расход при номинальном режиме, указанном в технической характеристике гидрораспределителя. ;

Выбираем реверсивный распределитель с гидравлическим управлением по МН 5782-65.

Рисунок 4. Распределитель типа Г72-3: 1,6-пружина;2,7-крышка;3-пробка;4-золотник;5-корпус;8,9-отверстие;10-дроссели;11-контргайка.

Реверсивные распределители с гидравлическим управлением по МН 5782-65 выпускаются серийно харьковским заводом "Гидропривод". Устройство распределителей по МН 5782-65 аналогично устройству золотников типа Г72-3. На рисунке 4 приведена конструкция распределителя типа Г72-3, выполненного по первой схеме. Золотник 4 может занимать нейтральное и два рабочих положения. В нейтральном положение золотник устанавливается с помощью пружин 1 и 6, расположенных в крышках 2 и 7.

Под действием давления управления, подводимого через отверстие 8 или 9 в корпусе 5 под торцы золотника 4, последний занимает два крайних положения - правое или левое, соответствующих двум направлениям движения рабочего органа машины. Скорость перемещения золотника 4 регулируется с помощью дросселей 10, расположенных в крышках 2 и 7 и зафиксированных контргайками 11. В четырехлинейных золотниках резьбового присоединения левое сливное отверстие заглушено. При перестройке на пятилинейные золотники заглушку со сливного отверстия необходимо снять, а пробку 3 заменить на заглушку 12, предварительно сняв крышку 2.

Технические характеристики реверсивного распределителя с гидравлическим управлением по МН 5782-65

Фильтр тонкой очистки рабочей жидкости устанавливается в сливной гидролинии проектируемого гидропривода и выбирается по расходу в этой линии

; (11)

,

где -активная площадь штоковой полости гидроцилиндра.

м.

дм/с;

Выбираем тип фильтра по требуемой тонкости фильтрации, рабочей жидкости, которая дается в рабочих характеристиках насосов. Берем фильтр тонкой очистки типа ФП7(Г43-5).

Рисунок 5. Фильтр тонкой очистки типа ФП7(Г43-5)

Технологические характеристики фильтров тонкой очистки типа ФП7(Г43-5)

Фильтр грубой очистки устанавливается на входе во всасывающую гидролинию непосредственно в гидробаке не ближе двух диаметров этой линии от дна.

;

где - рабочий объем насоса, [м³/об]; - частота вращения вала насоса, об/с.

;

Выбираем фильтр грубой очистки типа Г42-35.

Рисунок 6. Фильтр грубой очистки типа Г42-3.

Технологические характеристики, основные и присоединительные размеры приемных фильтров типа Г42-3

4. Определение диаметров гидролиний

В проектируемом насосном гидроприводе необходимо определить диаметры трех гидролиний:

всасывания (от гидробака до насоса)- ,

напорной (от насоса до гидродвигателя)- ,

сливной (от гидродвигателя до гидробака)- .

Диаметры гидролиний определяются по формуле [м]:

; (12)

;

Округляем по ГОСТ 16516-70

;

Округляем по ГОСТ 16516-70

;

Округляем по ГОСТ 16516-70

Скорость потока жидкости для всасывающих трубопроводов принимаем .

Скорость потока жидкости для нагнетательных трубопроводов принимаем .

Скорость потока жидкости для сливных трубопроводов принимаем .

В которую подставляются соответствующие расходы и скорости потока жидкости.

Расход в линии всасывания - , [м³/с]

; (13)

;

Расход в напорной линии -  равен номинальной подаче насоса по технической характеристике, или

 (14)

где - объемный к.п.д. насоса из технической характеристики.

Расход в сливной гидролинии -, [м³/с]

;

дм/с;

Допустимые скорости в нагнетательных линиях =3м/с

5. Определение давления насоса

гидроцилиндр поршневый насос фильтр

Скорости , ,  считаем через соответствующие расходы , ,Q.

; (16)

;

;

Определяем режим течения жидкости в трубопроводе по числу Рейнольса:

, (20)

где  - кинематическая вязкость жидкости, [м²/с]. Для индустриального масла И-40А =

 < 2300 - ламинарный режим.

 <2300 - ламинарный режим.

 <2300 - ламинарный режим.

При ламинарном режиме

, (19)

где  - критерий Рейнольса - величина характеризующая режим движения жидкости.

 ;

 ;

 ;

Определение потерь напора:

;

;

;

где  - плотность рабочей жидкости, [кг/м³]Для индустриального масла И-40А =900 кг/м³ ;  

Нижний индекс:

г.р. - гидрораспределитель

ф.т.о. - фильтр тонкой очистки

ф.г.о. - фильтр грубой очистки

;

;

Определяем давление по формуле:

 (17)

где  и  - общие потери давления при прохождении соответствующих расходов  и  по напорной и по сливной гидролиниям, [Па];

- коэффициент соотношения площадей гидроцилиндра;

 - высота подъема жидкости в напорной гидролинии, [м].

;

где м;м.

;

Определяем давление по формуле:

;

где  - внешнее давление в гидробаке, [Па] p=101 325 Па. В гидроприводах с разомкнутой циркуляцией рабочей жидкости чаще всего внешнее давление равно атмосферному.  - высота всасывания, [м];

;

Согласно ГОСТ 17389-72 давление насоса  [Мпа] определяется по выражению

, (15)

где  и - абсолютное давление и скорость потока жидкости в напорном канале насоса; [Па], [м/с];  и - абсолютное давление и скорость потока жидкости в канале всасывания насоса; [Па], [м/с];  и - высоты центров сечения напорного и всасывающего каналов насоса [м]. Для большинства насосов станочных гидроприводов разностью этих высот можно пренебречь; =1; =1; - коэффициент Кориолиса.  - плотность рабочей жидкости, [кг/м³]; - ускорение силы тяжести, [м/c²].

Определяем полезную мощность насоса [кВт]:

. (24)

где - в МПа и  - в м³/с.

.

Мощность насоса, по которой выбирается приводной электродвигатель, определяется по формуле

, (25)

где  - к.п.д. насоса из технической характеристики.

,

Вычисленные значения давлений в гидролиниях системы позволяют выбрать тип трубы или шланга для гидролиний. Необходимая толщина стенки трубы  [м] определяется по формуле

, (26)

где    условное расчетное давление в трубе, [Па]; ;

 - принятый диаметр гидролинии, м;

допускаемое напряжение в стенке трубы, [Па]; ;

предел прочности материала трубы.

;

МПа;

;

;

;

По ГОСТ 16516-70 округляем полученные диаметры до ближайщего большего значения

Давление в сливной магистрали определяется по выражению

;

;

6. Определение емкости гидробака

Определяем количество энергии выделяемое при работе привода, [кВт];

;

где ; - полезная мощность насоса.

;

Назначаем ориентировочный объем рабочей жидкости W,[м], равный 3 минутной производительности насоса.

 ;

где  - подача насоса[м³/с]

;

Определяем площадь бака по формуле:

;

м³;

Пусть нижняя сторона бака - поверхность с затрудненной циркуляцией воздуха, а остальные 5 сторон - свободно-обтекаемые поверхности.

Рассчитаем теряемую мощность исходя из наших данных,[Вт]:

;

где  - установившиеся температура,[К];

 - температура окружающей среды,[К];

 - коэффициент теплопередачи для нижней стороны бака, [Вт/(м²К)];

коэффициент теплопередачи для остальных сторон бака, [Вт/(м²К)];

площадь поверхности теплопередачи, [м²].

;

Сделаем вывод о том, что принудительные мероприятия по охлаждению гидросистемы не требуются.

. Определение подачи насоса

Объемный к.п.д. при расчетном давлении насоса можно определить по формуле:

, (32)

где  - паспортные значения давления и к.п.д. насоса.

;

Утечки в гидрораспределителе -  [м³/с], которые подсчитываются по формуле:

, (33)

где  - паспортные данные давления и утечек в гидрораспределителе.

Таким образом, истинная (расчетная) частота вращения насоса должна быть [об/с]:

 ; (34)

.

Заключение

В выполненной контрольно-курсовой работе был спроектирован насосный гидропривод.

Рабочей жидкостью в данном гидроприводе является индустриальное масло И - 40А.

Выбрана следующая гидроаппаратура:

.        Поршневой цилиндд.

.        Пластинчатый насос БГ12-26АМ на мощность 12,5-14 МПа.

3.      Предохранительный клапан Г52-2

4.      Реверсивный распределитель с гидравлическим управлением по МН 5782-65

.        Фильтр тонкой очистки типа ФП7(Г43-5).

.        Фильтр грубой очистки типа Г42-35.

Были получены следующие расчетные параметры данной гидросистемы: , , ,,.

Гидроаппаратура подобрана по выполненным расчетам. Выбранный насос имеет сравнительно высокую стоимость, но полностью подходит по производительности и мощности к данному приводу.

Список литературы

1.      Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика / Т.М. Башта. - М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.

.        Ковалевский В.Ф. Справочник по гидроприводам горных машин / В.Ф. Ковалевский, Н.Т. Бейлин Ю.Е. Железняков - М.: Недра, 1973. - 504 с.

.        Рабинович Е.З. Гидравлика / Е.З. Рабинович. - М.: Недра, 1980. - 278 с.