Гидравлика, гидропневмопривод (работа 2)

Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине

“ГИДРАВЛИКА, ГИДРО- И ПНЕВМОПРИВОДЫ”

По выполнению расчётно-графических заданий №2

для студентов дневной формы обучения

и контрольных работ

для студентов заочной формы обучения

специальности 7.090258

“Автомобили и автомобильное хозяйство”

Севастополь

2007

УДК 629.114.6

Методические указания по дисциплине ”Гидравлика, гидро- и пневмоприводы” по выполнению расчетно-графических заданий для студентов дневной формы обучения и контрольных работ для студентов заочной формы обучения специальности 7.090258 ”Ав-томобили и автомобильное хозяйство”/ Сост. Ю.Л. Рапацкий.- Севастополь: Издательство СевНТУ, 2001.-19с.

Целью методических указаний является оказание помощи студентам специальности ”Автомобили и автомобильное хозяйство” при изучении дисциплины “Гидравлика, гидно- и пневмоприводы” и самостоятельном выполнении расчетно-графических заданий студентами дневной формы обучения и контрольных работ заочниками.

Методические указания предназначены для студентов специальности 7.090258 ”Автомобили и автомобильное хозяйство” дневной и заочной форм обучения. Могут также использоваться студентами дневной и заочной форм обучения специальностей 7.090202 ”Технология машиностроения” и 7.090203 ”Металлорежущие станки и системы” при изучении ими соответствующих разделов аналогичной дисциплины.

Методические указания рассмотрены на заседании кафедры АТПП (протокол №4 от 29.12.2001 г)

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.

Рецензент: Харченко А.О. канд. техн. наук, доцент кафедры Машиностроения и транспорта, Заслуженный изобретатель Украины.

Выбор вариантов на расчетно-графические задания для студентов дневной формы обучения и на контрольные работы для заочников.

Студенты дневной формы обучения выполняют в течение семестра два расчетно-графических задания (РГЗ). Выбор вариантов – по последней цифре номера зачетной книжки. РГЗ оформляются в соответствии с действующими стандартами Украины для текстовых документов на стандартных листах А4. Допускается оформление РГЗ на листах в клетку, а схем и чертежей – на миллиметровой бумаге. Рекомендуется использовать ПЭВМ для оформления РГЗ, в том числе целесообразно выполнять расчеты с применением одного из доступных математических пакетов Maple и Mathcad.

Защита студентами выполненных РГЗ приводится индивидуально, на консультациях, после проверки преподавателем правильности расчетов и оформления РГЗ.

РГЗ №1 должно быть выполнено на 10-11-й неделе семестра, а РГЗ №2 на 12-13-й неделе.

РГЗ №2 включает в себя задачу №1 (каждый студент решает два варианта задачи №1 в соответствии с таблицей Б1, а также задач №2.

Таблица Б1

Номера вариантов задачи №1 для второго РГЗ

Последняя цифра номера зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номера вариан-тов задачи №1	0,2	1,2	2,3	3,5	4,5	5,6	6,8	7,8	8,9	9,2

По результатам решения задачи №1 предложить конструкцию дросселя и изобразить её графически.

При решении задач №3 и 4 конструкцию насоса необходимо изобразить графически.

Студенты заочной формы обучения выполняют одну контрольную работу, в которую входят все задачи, которые включены в РГЗ №1 и РГЗ №2. Выбор вариантов осуществляется аналогично приведённому выше.

Задача I

К штоку поршня I гидроцилиндра 2 приложена постоянная нагрузка Р.

Перемещение поршня гидроцилиндра осуществляется напором рабочей жидкости плотностью ρ = 0,88^.10³ кг/м³ под давлением Рн ^{? развиваемым насосом. Поршень I и его шток уплотнены резиновыми манжетами шевронной формы.}

^{Спроектировать гидропередачу обеспечивающую перемещение штока (вычертить схему гидропередачи, определить полезную мощность гидронасоса Nн, предельные эффективные площади сечения дросселя регулятора Sp min и Sp max, внутренний диаметр гидроцилиндра Dr), имея ввиду, что скорости перемещения поршня вправо устанавливаются дросселем, регулирующим скорость в пределах от Vmin до Vmax. Предложить конструкцию дросселя регулятора (эскиз). При этом к.п.д. гидропередачи при скорости перемещения поршня Vn = Vmax, в случае установки лросселя последовательно, но должен быть меньше 0.6. Коэффициент расхода дросселя принять постоянным и равным μ = 0,4. Сопротивление гидромагистрали кроме сопротивления дросселя пренебречь.}

^{Исходные данные:}

№ вар	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Установка дросселя	Вход	Выход	Парал- лельно	Вход	Выход	Парал- леньно	Вход	Выход	Парал- лельно	вход
Р (Н)	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300
Pн	3,9	3,9	3,9	4,3	4,3	4,3	4,3	4,5	4,5	4,5
Vmin (м/с)	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2	0,3	0,3	0,2	0,3	0,4
Vmax (м/с)	0,6	0,6	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,6	0,6	0,8

^{Указания:}

^{Коэффициент поршневого действия гидропередачи при скорости Vc=Vmax определён следующим образом:}

(1)

где Q-расход на насосе.

Полезная мощность гидронасоса:

N_>H> = P_>H> Q (2)

С другой стороны расход при известном к.п.д. (выражение I) определяется как:

Qmax = Vmax S1 (3)

Qmin = Vmin S1 (4)

где S1 – площадь цилиндра, рассчитанная при Vn = Vmax. Этот же расход поступает в рабочую полость гидроцилиндра.

В случае установки дросселя последовательно, в гидроцилиндр, расход пропорционален сечению дроссельного отверстия, т.е.

Qдр = Q = μ Sдр (5)

где Sдр – одно из двух значений сечения дросселя; sp – перепад давлений на дросселе.

Если дроссель установлен последовательно на входе, то ΔP = P_>H> – P_>1,>

где P1 – давление в бесштоковой полости гидроцилиндра, которое может быть найдено из уравнения силового баланса:

P_>1>S_>1> = P_>2>S_>2> + + T (6)

где Т – сила трения в манжетах, которая для манжет шевронного типа равна:

T = π D h τ (7)

где D – диаметр уплотнения; h – толщина уплотнения h = 0.2 Dr; τ – напряжение трения манжет τ = 0,22 МПа.

В уравнении (5), поскольку мы пренебрегаем сопротивлением магистрали, ρ2 = 0, т.е. второй член суммы равен 0.

В случае установки дросселя последовательно на выходе Δ ρ = ρ_>2>, т.к. мы пренебрегаем сопротивлением магистрали за дросселем.

Уравнение же силового баланса для этого случая запишется следующим образом:

P_>H>S_>1> = P_>2>S_>2> + + T (8)

В случае установки дросселя параллельно уравнение силового баланса принимает следующий вид:

P_>H>S_>1> = + T (9)

Часть жидкости от насоса попадает в цилиндр. Расход этой жидкости равен:

Q_>Ц> = Vmax S_>1> (10)

Часть жидкости сливается через дроссель. Расход равен:

Q_>ДР> = μ S_>ДР> (11)

Причем Δ P = P_>H>

Насос следует выбирать из условия обеспечения максимальной скорости движения поршня, имея ввиду, что

Q_>H> = Q_>Ц> + Q_>УР> (12)

Максимальная скорость будет очевидно при S_>ДР> = 0, а минимальной соответствует соотношение:

S_>1>Vmax = S_>1>Vmin + μ S_>ДР>max (13)

Задача 2

Скорость ротационного гидромотора регулируется установкой дросселя регулятора на выходе гидромотора (Рис. 2)

Рис. 2

Гидромотор удельной производительностью g развивает на выходном валу максимальный момент M [Нм]. В качестве привода гидромотора используется гидравлический насос. Давление рабочей жидкости, в качестве которой используется масло индустриальное плотностью ρ = 0,88^.10³ кг/м³, равно 3,9 МПа = 3,9^.10⁶ Н/м².

Спроектировать гидропередачу, обеспечивающую скорость ротационного гидромотора в пределах от n_>max>_> >до n_>min >. Вычертить схему гидропередачи. Определить полезную мощность гидронасоса N_>H> и максимальный к.п.д. η_>max> гидропередачи. Определить эффективные площади сечения дросселя регулятора S_>ДР>min при n_>min> и S_>ДР>max при n_>max>. Коэффициент расхода дросселя принять постоянным и равным μ = 0,4. Сопротивлением гидромагистрали кроме сопротивления дросселя пренебречь. Указать возможность повышения к.п.д. гидропередачи.

Исходные данные

№ вар	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
М[Нм]	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
g [м2] 10-4	0.1	0.1	0.1	0.1	0.2	0.2	0.3	0.3	0.3	0.3
n>MIN>[об/с]	5	5	7	7	6	6	8	8	8	8
n>MAX>[об/с]	20	18	18	15	18	15	16	16	15	16

Указания

Для ротационного гидромотора справедливо следующее соотношение:

M = _> >(14)

где Δp – период давления на гидромоторе, равный разности давлений Δp = p_>H> – p, где p_>H> – давление, развиваемое насосом, р – давление на выходе гидромотора – перед дросселем.

Следовательно:

Pн - Р = (15)

Максимальный к.п.д. гидропередачи вычисляется по следующему выражению

_>max> = = _> >(16)

Где N_>вых>max – максимальная мощность на выходе гидропередачи (максимальная мощность гидромотора); N_>вх>max – максимальная мощность на выходе гидропередачи, равная полезной мощности гидронасоса; Q_>H>max – максимальный расход гидронасоса.

Из условия работы гидропередачи с максимальным к.п.д. при заданных параметрах двигателя и привода следует, что весь расход рабочей жидкости, подаваемой насосом в систему, должен полностью потребляться гидромотором без слива жидкости через перепускной клапан. Поэтому максимальный расход гидронасоса должен выбираться из условия:

Q_>H>max = Q_>ДВ>max = n_>max>g (17)

Этот же расход протекает через дроссель. Площади сечения дросселя регулятора определяются из соотношения

Q_>ДР> = μ_>ДР>S_>ДР> (18)

где Q_>ДР> – расход жидкости через дроссель; Δp_>ДР> – перепад давлений на дросселе;

Поскольку мы пренебрегаем сопротивлением гидромагистрали, кроме сопротивления дросселя, которое учитывается коэффициентом расхода Δp_>ДР> = p.

Задача №3

Работает плунжерный перекачивающий насос, обеспечивая подачу материала на высоту Н и его фильтрацию (см. рис. 3). Плунжер гидронасоса совершает возвратно-поступательные перемещения от пневмоцилиндра работающего от сети с воздушным давлением P_>B> = 0,5 МПа, обеспечивая частоту перемещения Z двойных ходов в минуту. За один двойной ход по нагнетательному тракту нагнетается объём жидкости, равный объёму полости А. Скорость перемещения материала плотностью ρ и вязкостью υ по нагнетательному трубопроводу принять равной V = 5 м/с.

Насос работает следующим образом. При движении поршня пневмопривода вверх, жидкость через привычный патрубок, гибкий шланг, приёмный клапан поступает в полость А, в которой давление меньше атмосферного. При следующем движении поршня вниз приёмный клапан закрывается, открывается промежуточный клапан и жидкость вытесняется из полости А в плунжерную полость, затем по трубопроводу – наружу. При последующем движении поршня вверх оставшаяся жидкость также вытесняется наружу.

Определить основные конструктивные параметры гидронасоса и пневмоцилиндра: внутренние диаметры гидроцилиндра и пневмоцилиндра Dr, Dn_>H>, условный проход нагревательного трубопровода Dy, полезную мощность насоса N_>H>, пренебрегая потерями во всасывающем тракте, полагая, что полость А при всасывании заполняется на 100%, а потери давления по нагнетательному тракту происходят в 9-ти местных сопротивлениях (обозначены цифрами) по длине трубопровода. Насос должен обеспечивать производительность Q при давлении слива – Pсл. Подсчитать гидравлический к.п.д. насоса. Оценить гидропривод с точки зрения к.п.д. Указать возможность повышения к.п.д.

Условные обозначения:

Н – высота подъёма материала при положении насоса внизу, м;

P_>B> – давление воздуха в воздушной магистрали, МПа;

Z – число двойных ходов в минуту поршня пневмоцилиндра и совмещённого с ним плунжера гидронасоса;

V – скорость жидкости в нагнетательном трубопроводе, м/с;

ρ – плотность перекачивания жидкости, кг/м²;

ν – вязкость перекачиваемой жидкости, м²/с;

λ – коэффициент Дарси (коэффициент, учитывающий потери давления по длине трубопровода);

Q – производительность гидронасоса, м³/с;

Р_>СЛ> – давление слива (на выходе нагнетательного трубопровода), МПа;

Величину хода поршня принять Hn = 5Dy.

Исходные данные

№ вар	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
H	15	16	18	20	25	28	30	35	40	50
Z	60	60	60	60	60	50	50	50	50	50
ρ .103	0.8	0.8	0.8	1.2	1.2	1.2	1.0	1.0	0.9	0.9
ν .10-6	29	29	29	64	64	64	36	36	38	38
Q .103	0.3	0.3	0.4	0.5	0.8	0.8	0.6	0.7	0.4	0.4
P>СЛ>	0,2	0,3	0,4	0,5	0,4	0,3	0,2	0,3	0,4	0,5

Указания:

Полезная мощность насоса, совершающего работу по подъёму жидкости на высоту Н при давлении слива Р_>СЛ> равна:

N_>H> = P_>H> ^. Q (19)

где P_>H> – давление, развиваемое насосом.

Давление Р_>Н> создает давление подъёма жидкости Р_>n> = ρgh, обеспечивая необходимое давление слива Р_>СЛ>, а также расходуется при преодолении жидкостью местных сопротивлений, т.е.

P_>H> = ρgh + P_>СЛ> + ΣΔP (20)

где ΣΔP – суммарная потеря давления;

Скорость движения жидкости по трубопроводу определяется из соотношения:

Q = V^.S (21)

где S – площадь сечения трубопровода диаметром Dy.

Потери давления в нагнетательном тракте складываются из потери давлений по длине и потерь в местных сопротивлениях. К местным сопротивлениям относятся сопротивления внутренней конструкции плунжерного насоса, т.е. 1, 2, 3, 4, 5, 6, а также сопротивления трубопровода 7, 8, 9. К потерям по длине относятся потери на вертикальном участке трубопровода диаметром Dy, длину L которого упрощённо можно принять равной H.

Потери по длине зависят от режима течения жидкости: ламинарного или турбулентного. Движение, как известно, носит ламинарный характер, если выполняется условие Re =< 2300, свыше этого значения носит турбулентный характер. Критерий Рейнолдса равен:

Re = _> >(22)

где V_>i> – скорость жидкости в i-том сечении; d – диаметр i-того сечения; ν – нинокатическая вязкость жидкости.

Если режим течения ламинарный, то потери давления по длине трубопровода считаются по формуле Пуазейля:

Pa =   Q (23)

Если режим течения турбулентный, то потери давления по длине трубопровода считаются по формуле Дарси-Вейсбаха:

Pa =  _> >(24)

Для гидравлически гладких труб:

 = 0.315 Re ^-0.25 (26)

Потери давления в местных сопротивлениях подсчитываются по соотношению:

Pí = _>i> (27)

где ξ_>i> – коэффициент местных потерь (выбирается по приложению 1).

Скорость жидкости в i-том местном сопротивлении подсчитываются согласно условию неразрывности движения жидкости в гидравлическом тракте, т.е.:

Vi^.Si = V^.S (28)

Диаметр гидроцилиндра выбирается из соотношения:

W_>ДВ.Х.> ^. z/60 = Q (29)

Где W_>ДВ.Х.> – объём жидкости, вытесняемой плунжером насоса за один двойной ход.

Для гидронасоса с пневмоприводом справедливо соотношение:

D²_>ПН> ^. Р_>В> = Р_>Н> ^. Dr² (30)

Гидравлический к.п.д. насоса, т.е. к.п.д. без учета трения и объёмных потерь равен:

r = _> >(31)

Задача 4

Определить конструктивные параметры всасывающего тракта плунжерного насоса (внутренний диаметр гибкого трубопровода D_>ШП>, внутренний диаметр гидроцилиндра D_>Г>, высоту подъёма плунжера Нп (рис. 3), если известно, что насос совершает z двойных ходов в минуту, перекачивая жидкость из приёмника глубиной h_>M>. Принцип работы насоса изложен в задаче №3. Скорость жидкости по гибкому рукаву – 1,5 м/с. Считать, что потери давления происходят в приёмном фильтре, в шланге по его длине и на его выходе в приемном клапане. Коэффициент Дарси принять равным λ = 0,017. Перекачиваемый материал – масло индустриальное плотностью ρ = 0,88^. 10³ кг/м³ и вязкостью ν = 29^.10^-6 м²/с. Коэффициенты сопротивления ξ – согласно приложению 1. Длина гибкого рукава L_>ШП> – 3 м. Производительность насоса должна быть равной Q м³/с. При исполнении конструктивно Dr принять равным 5D_>ШП>. Давление насыщающих паров жидкости принять равным 0,02^.10⁵ Н/м²;

Примечание: Ход поршня и плунжера H_>П> = 5Dy (рис. 3) относится к задаче №3. В задаче №4 эта величина искомая.

Исходные данные:

№ вар	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Z	60	60	60	60	60	50	50	50	50	50
h	0,5	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,5	1,2	1,2	1,0
Q .10-3	0,3	0,4	0,2	0,4	0,4	0,3	0,2	0,1	0,1	0,3

Указания

Во всасывающем тракте насоса подъём жидкости осуществляется за счет разности атмосферного давления и давления разряжения в полости А гидронасоса. Справедливо равенство:

P_>атм> = gh + + P + P_>2 >(32)

где Р_>2> – статическое давление в полости А гидронасоса; Vr – скорость жидкости в полости А; ΣΔР – суммарные потери давления во всасывающем тракте насоса; Р_>АТМ> – атмосферное давление – 1,0^.10⁵ Н/м². Высота подъёма плунжера рассчитывается из условия обеспечения насосом заданной производительности при заданном числе двойных ходов:

W_>дв.х.> = Q (33)

где W_>дв.х. >= H_>n> (34)

W_>ДВ.Х> – объём жидкости при двойном ходе.

Полученное значение Н_>П> должно быть проверено. Поскольку расширение полости А происходит без изменения воздушной массы и температуры газа, то справедливо соотношение:

P_>АТМ> ^. W_>1> = P_>2> ^. W_>2 >(35)

Учитывая, что площадь полости А не изменяется в результате расширения

P_>АТМ> ^. Н_>1> = P_>2> ^. H_>П> (36)

где W_>1> – первоначальный объём полости А до момента подъёма поршня; Н_>1> – высота полости h, соответствующая W_>1> (рекомендуется принять Н_>1> = 0,01 м.)

Найденное с учетом (32) значение Н_>П> сравнивается с рассчитанным ранее значением Н_>П>.

Условие правильности расчета таково:

H_>П>^’ =< H_>П> (37)

В случае невыполнения условия (37) за высоту подъёма поршня (плунжера) следует принять Н_>П>^', соответственно пересчитать Dr. Однако следует иметь в виду, что рассчитанное по выражению (32) Р_>2> не должно быть меньше давления насыщающих паров жидкости, т.е. должно выполняться условие:

Р_>2> < P_>Н.П.>

В противном случае произойдет газовыделение из жидкости, нарушится сплошность течения и насос не сможет перекачивать жидкость. Это значит, что гидравлический всасывающий тракт выбран неверно. Здесь следует проанализировать уравнение (32) на предмет уменьшения составляющих его слагаемых, влияющих на P_>A>. Привести рассуждения относительно восстановления работоспособности насоса. Обосновать расчеты. Входящее в уравнение (32) ΣΔР рассчитывается аналогично описанному в задаче №3.

Приложение 1

Коэффициенты местных сопротивлений гидравлических трактов

Вид местного сопротивления	Коэффициент сопротивления
Вход в трубу без закругления водных кромок	0,5
То же, но при хорошо закругленных кромках	0,1
Выход из трубы в сосуд больших размеров	1,0
Резкий поворот трубы без переходного закругления при угле поворота примерно 90о	1,25. 1,5
Колено (плавное закругление) на трубе с углом δ=90о при R>3 >λ 2d	0,5
То же, при R3 ≈ (3:1) d	0,3
Кран	5-7
Вход во всасывающую коробку с обратным клапаном	5-10

Внезапное расширение ξ = (F_>1>/F_>2>)

Внезапное сужение ↓

При F_>2>/F_>1><0,01ξ принять = 0,45

F>2 >/ F>1>	0,01	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
ξ	0,45	0,39	0,35	0,28	0,2	0,09	0

При расчете скорость V берётся в сечении F_>2>

Постепенное расширение (см. таблицу)

D/d	α = 5o – 30o	α = 30o – 60o
1,2 - 2	ξ = 0,8 – 0,22	ξ = 0,22 – 0,3
2 - 3	ξ = 0,1 – 0,51	ξ = 0,32 – 0,75
3 - 4	ξ = 0,12 - 0,55	ξ = 0,38 – 0,8

Постепенное сужение

_>1 >=  (1 - ) - )

 - сопротивление

входа в трубу

Проход через сетку

_> >= 1,3 (1 - ) + ( - 1)²

^{где Σf}_>o> ^{– сумма площадей отверстий; F – вся площадь сетки.}

^{В задаче №4 принять равным 0,7 м/с.}

^{Клапан шаровой}

h/d	0,1	0,12	0,14	0,16	0,18	0,22	0,25
ξ	8,7	5,77	4,24	3,16	2,58	1,97	1,74

^{Примечание: В задаче №4 h/d принять равным 0,25}