Розрахунок та вибір гідроциліндра
1. Розрахунок та вибір гідроциліндра
1.1 Визначення діаметра поршня та штока гідроциліндра
1.2 Проектування та вибір гідроциліндра
1.3 Визначення витрати рідини, необхідної для отримання швидкості переміщення робочого органу
1.4 Вибір насосу
2. Вибір гідроапаратури та допоміжних елементів гідроприводу
3. Розрахунок трубопроводів гідросистеми
3.1 Визначення діаметрів всмоктувального, напірного та зливного трубопроводів
3.2 Визначення загальних втрат тиску, тиску та подачі насоса, уточнення вибору насоса
4. Визначення швидкості робочого та холостого ходу, часу подвійного ходу поршня зі штоком циліндра
5. Визначення коефіцієнта корисної дії гідроприводу
6. Тепловий розрахунок гідроприводу
7 Побудова п'єзометричної лінії
1. Розрахунок та вибір гідроциліндра
1.1 Визначення діаметра поршня та штока гідроциліндра
Малюнок 1 - Розрахункова схема гідроциліндра з одностороннім штоком
У період руху, що встановився, сумарне навантаження на штоку:
де Рп - корисне зусилля, що передається, Н; Рт - сила тертя в напрямних верстата, Н; Ртц – сила тертя в циліндрі, Н.
Сила тертя обчислюється за формулою (2):
де m1 - коефіцієнт тертя при встановленому русі (m1 = 0,06);
a - кут нахилу направляючих верстата вертикальної осі (a=45°);
P N - нормальна складова корисного зусилля, що притискає робочий орган верстата до станини. P N = 2800 Н;
G – вага рухомих частин. G = mg; G = 230 9,8 = 2254 H.
Сила тертя поршня в циліндрі визначається за формулою (3): Pпц = (3)
де hмц - механічний ККД гідроциліндра, що враховує втрати на тертя поршня в циліндрі і штока в ущільненні (hмц = 0,95);
Підставляючи значення формулу (1), отримуємо:
У період розгону за відсутності корисного зусилля сумарне навантаження на штоку дорівнює:
де Ри- сила інерції рухомих частин, Н;
Сила інерції рухомих частин визначається за такою формулою (5): Ри= (5)
де upx – швидкість переміщення робочого органу, м/с;
m – маса рухомих частин, кг;
Dt - час прискорення від нуля до максимальної швидкості столу (Dt=0,5с).
Силу тертя у період розгону визначаємо за формулою (2) за коефіцієнта тертя спокою m2=0,16).
Силу тертя поршня в циліндрі Ртц визначаємо за такою формулою (3): Ртц=841,1H
Сумарне навантаження на штоку в період розгону дорівнює:
За сумарним навантаженням SР, що долається штоком гідроциліндра в період режиму, що встановився, і в період розгону, встановлюється найбільше її значення: SP=SPуст=19334,1Н.
Тиск у циліндрі приймаємо р=1,4 МПа.
Для циліндра з подачею олії в штокову порожнину попередній діаметр поршня визначається за формулою (6):
Де b = d/D. Враховуючи, що прийнятий тиск у циліндрі р=1,4 МПа, приймаємо d=0,3D. Тоді b=0,3.
Підставляючи формулу (6) числові значення, отримуємо діаметр поршня рівним: D=134,4 мм.
Діаметр штока визначається, з умови d=0,29D. Діаметр штока дорівнює: d = 38,98 мм.
Керуючись ГОСТ 12447-80, приймаємо стандартні параметри циліндра, які наведені у таблиці 1
Таблиця 1 – Номінальні параметри гідроциліндра
Діаметр поршня D, мм
Діаметр штока d, мм
1.2 Проектування та вибір гідроциліндра
Уточнене значення тиску в гідроциліндрі, виходячи з рівняння (6):
де b=d/D, тоді формула (7) набуде вигляду:
Підставляючи числові значення формулу, отримуємо:
Тиск у циліндрі виберемо відповідно до ГОСТ 6540-68 p=2,5 МПа. Товщина стінок тонкостінного циліндра розраховуємо за формулою (8)
де ркл - внутрішній тиск, що дорівнює тиску настройки запобіжного клапана. ркл = 1,5×р; ркл = 3,75 МПа;
D – внутрішній діаметр циліндра;
[s] - допустима напруга для матеріалу циліндра по колу [s] = 120 МПа.
Підставляємо значення у формулу (8):
Товщину стінки d тонкостінного циліндра приймаємо рівною 6 мм.
1.3 Визначення витрати рідини, необхідної для отримання швидкості переміщення робочого органу
Витрата рідини Q л/хв, що нагнітається насосом, визначається по заданій швидкості uрх переміщення силового органу при робочому ході за формулою (9):
де F - площа поршня гідроциліндра, дм 2;
uрх - швидкість переміщення робочого органу, дм/хв;
h0 - об'ємний ККД гідроциліндра, що враховує витоку (h0=0,99)
Площа поршня F визначається за формулою (10):
F=p×D 2 /4 (10), F1= (1,25/2) 2 × 3,14=1,23 дм 2 , F2= (0,36/2) 2 × 3,14=0, 1 дм 2
Підставивши числові значення формули (10), (9), отримуємо:
1.4 Вибір насосу
За умовою Qном Q; pном p вибирається пластинчастий насос БГ12-24АМ з номінальними даними наведеними в таблиці 2.
Таблиця 2 – Параметри насоса Г15-24Р
Номінальна подача, Qном л/хв.
Номінальний тиск, Рном, МПа
ККД за номінального режиму
Частота обертання nном, об/хв
2. Вибір гідроапаратури та допоміжних елементів гідроприводу
На підставі номінальних даних насоса вибираємо гідроапаратуру з параметрами, представленими в таблицях 3-7.
Манометр
Манометр вибирається за такою умовою:
Приймає манометр типу МТПкласу точності 1,5 та верхньою межею вимірювання рном=5МПа.
Об'єм гідробака заповнюється на 80...90% олією, а обсяг олії визначається за формулою (13):
Зі стандартного ряду за ГОСТ 12448-80 приймаємо об'єм гідробака V=250 л. Форма прямокутного паралелепіпеда 1: 1:
Як робочої рідини вибираємо індустріальне гідравлічне масло ИГП - 18. Параметри масла наведено у таблиці 3.
Таблиця 3- Параметри олії ІГП-18
Щільність за 50 °С
Кінематичний коефіцієнт в'язкості n, мм 2/с
Приймаємо розподільник В16 (схема 14).
У напірній лінії витрата Qн=77 л/хв, втрати тиску напірної лінії Dр н ном=0,0583 МПа при Qн=77 л/хв (за графіком Г.4).
У зливній лінії витрата Qсл=Qном× (F/(F-f)).
Dр сл ном = 0,183 МПа, при Qсл = 83,8 л / хв (за графіком Г.4).
Параметри розподільника представлені у таблиці 4:
Таблиця 4 – Параметри розподільника
Діаметр умовного проходу, мм
Витрата олії, л/хв
Параметри решти апаратури представлені у таблиці 5.
Таблиця 5 - Параметри гідроапаратури
Номінальна витрата Qном, л/хв
Номінальний робочий тиск рном, МПа
Втрати тиску Dр, МПа
Регулятор потоку (витрати)
3. Розрахунок трубопроводів гідросистеми
3.1 Визначення діаметрів всмоктувального, напірного та зливного трубопроводів
Швидкості в лініях приймаємо:
для всмоктуючого трубопроводу u=1,6 м/с;
для зливного трубопроводу u=2 м/с;
для напірного трубопроводу u=3,2 м/с (при р 2 /4=3,14×0,125 2 /4=0,012266 ì 2
f=pd 2 /4=3,14×0,036/4=0,001 м 2
Qсл=54,9× (0,012266/ (0,012266-0,001)) =77×,09=83,8 л/хв
Визначаємо діаметр труби зливної лінії:
Для напірної лінії:
Товщину стінок трубопроводу можна визначити за формулою (17):
де - максимальний тиск у гідросистемі;
d – внутрішній діаметр трубопроводу;
=6 - коефіцієнт безпеки;
- межа міцності на розтяг матеріалу трубопроводу, приймаємо матеріал мідь, для якої = 250 МПа.
Товщину стінок трубопроводу всмоктувальної лінії при максимальному тиску:
Товщина стінок трубопроводу напірної лінії при максимальному тиску:
Вибираємо товщину трубопроводу напірної лінії 08 мм.
Товщина стінок трубопроводу зливної лінії при максимальному тиску:
За ГОСТ 617-90 вибираємо стандартні зовнішні та внутрішні діаметри труб:
При визначенні діаметрів трубопроводів, робимо уточнений розрахунок швидкості робочої рідини за формулою (18):
Для всмоктувальної лінії:
Для напірної лінії:
Для зливної лінії:
3.2 Визначення загальних втрат тиску, тиску та подачі насоса, уточнення вибору насоса
Щільність олії при робочій температурі можна визначити за формулою:
де r - щільність олії, кг/м 3 ;
Dt – зміна температури, °С;
b1 - коефіцієнт температурного розширення рідини (для мінеральних олій). b1=7×10 -4 ), °C -1
Кінематичний коефіцієнт в'язкості nр при р=3,75 МПа визначається за формулою (20):
Коефіцієнти опору по довжині трубопроводу визначається в залежності від режиму руху рідини і зони опору. Спочатку визначається число Рейнольдса:
Для всмоктувальної лінії:
Число Рейнольдса Re 0,53 ( 23)
Для зливної лінії:
Число Рейнольдса 2320 0,53 = 0,042
При ламінарному режимі коефіцієнти місцевих опорів ξлр залежать від числа Рейнольдса і визначаються за формулою:
де b - поправний коефіцієнт, що враховує залежність втрат у місцевому опорі від Рейнольдса при ламінарному режимі.
Для всмоктувальної лінії bвс=1,09, напірної лінії bн=1, для зливної лінії поправочний коефіцієнт не враховується.
Коефіцієнт місцевих опорів ξ розраховується згідно зі схемою гідросистеми.
Таблиця 6 – Коефіцієнт місцевого опору
З урахуванням Рейнольдса
xхрест - хрестове розгалуження (0,1)
xпов - поворот трубопроводу (0, 19)
xвх - вхід у гідроциліндр (1)
xхрест - хрестове розгалуження (0,1)
xпов-поворот трубопроводу (1, 19)
xвых- вихід із труби в резервуар (1)
Площа перерізу трубопроводу визначається за формулою (11):
Для всмоктувальної лінії: Fвс=3,14×34 2 /4=907,5 мм 2
Для напірної лінії: Fн=3,14×23 2 /4=415,3 мм 2
Для зливної лінії: Fсл=3,14×31 2 4=754,4 мм 2
Визначення втрат тиску в гідроапаратах:
Напірна лінія: МПа
Для напірного фільтра:
Зливна лінія: МПаЗагальні втрати тиску, що складаються з втрат у всмоктувальній, напірній та зливній, наведеній до напірної, лініях визначаються за формулою:
Виражаючи швидкості руху рідини в трубопроводах, втрати тиску в апаратах Σ , Σ і витрата рідини в зливальній лінії Qсл через витрату Qн у напірній лінії можна отримати:
D=F/(F-f) або D=1/(1-f/F); D=
λ - коефіцієнт опору тертя по довжині трубопроводу,
Σξ - сума коефіцієнтів місцевих опорів у відповідній лінії (вхід і вихід з труби, раптове розширення та звуження труби, повороти, трійники тощо),
lвс, lн, lсл - довжини трубопроводів відповідно всмоктувальної, напірної та зливної лінії,
dвс, dн, dсл - діаметривідповідно всмоктувальної, напірної та зливної лінії,
ρ - щільність рідини,
Σ, Σ- втрати тиску в гідроапаратах, встановлених у напірній та зливній лініях відповідно.
Використовуючи для розрахунку втрат тиску формулу (26), отримуємо:
×D 3 ) ×Qн 2 ×4 3 ) ×10 10 ×Qн 2 =77,223×10 10 ×Qн 2 Н×с 2 /м 8
На початку трубопроводу гідросистеми необхідно мати тиск р для створення корисного навантаження на гідродвигуні, а також для подолання втрат тиску Δр, починаючи від всмоктувальної лінії до кінця зливної лінії, тобто:
Насос працює на трубопровід. Тому повинні дотримуватися умови матеріального та енергетичного балансу, тобто, якою буде подача насоса, така сама витрата буде у трубопроводі і який тиск буде створювати насос, такий самий тиск буде на початку напірного трубопроводу.
Ці умови будуть виконуватись у точці перетину характеристики насоса рН = f1 (Q) з характеристикою трубопроводу РТР = f2 (Q).
Характеристику насоса (рис.2) будуємо за двома точками: перша точка (рном; Qном). Друга точка: р=0, а витрата рідини визначиться за формулою (28):
Характеристику трубопроводу будуємо за кількома точками, змінюючи значення витрати рідини у виразі (27).
Таблиця 7 - Значення повного тиску у трубопроводі залежно від витрати