Тепловой расчет гидропривода

 

Тепловой расчет выполняется для определения установившейся температуры гидропривода при его длительной работе и разработке технических решений для ее нормализации. Расчет заключается в следующем:

Находится площадь S_δ теплоотдачи маслобака

 

(6.67)

 

где - емкость маслобака, м².

Определяется площадь теплоизлучающих поверхностей S_ГП всех элементов гидропривода (трубопроводов, насоса, гидроцилиндров, гидромоторов, гидрораспределителей, маслобака).

 

S_ГП = S_δ · α_δ (6.68)

 

где α_δ - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей машины; принимается по табл.34.

Рассчитывается установившееся температура рабочей жидкости в системе гидропривода [20]

 

+ Δ / (К · ), (6.69)

 

где t_o – температура окружающей среды, ^оС (указана в задании),

К - коэффициент теплоотдачи от всех поверхностей гидрооборудования, зависящий от условий обтекания его воздухом и равный [3]:

- К = 9 Вт/(м² · ^ºС) - для гидробаков с гладкими стенками при затрудненной циркуляции воздуха,

- К = 15 Вт/(м² · ^ºС) - при свободной циркуляции,

- К = 23 Вт/(м² · ^ºС) – при принудительном обдуве вентилятором,

- К = 110…175 Вт/(м² · ^ºС) – при охлаждении проточной водой.

По нормативам, для оптимальной работы гидропривода установившееся температура жидкости не должна превышать 60…70 ^ºС – для летних условий и 40…50 ^ºС – для зимних.

а) Если более 60…70^ºС в летний период, то предусматривают охлаждение за счет оребрения гидробака или установки дополнительного теплообменника, представляющего собой радиатор, по которому прокачивается хладогент (для летних условий – вода). Радиатор устанавливают в сливной линии перед баком. Сопротивление потоку рабочей жидкости должно быть минимальным.

б) Если менее 40…50^ºС (в зимний период), то применяют различные технические приемы для снижения теплообмена: (тепло-изолирующие чехлы – для гидробаков, короба – для трубопроводов); или нагреватели (змеевики), монтируемые в гидробаки. Перед пуском гидросистемы по нагревателям прокачивается горячая незамерзающая жидкость (водный раствор этиленгликоля), доводя температуру масла в гидробаке до 60^ºС. С целью подогрева маслобака вместо жидкости могут быть использованы выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания.

ПРИМЕР РАСЧЕТА ГИДРОПРИВОДА ВРАЩАТЕЛЬНОГО И ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

 

Исходные данные. Гидравлическая схема

 

Схема гидропривода приведена на рис.6.

Усилие на штоке гидроцилиндра F= 200 кН.

Скорость движения:

- прямой ход ʋ_пх=0,10 м/с;

- обратный ход ʋ_ох=0,28 м/с.

Ход штока гидроцилиндра l=1050 мм.

Момент на валу гидромотора М=115 Н · м.

Частота вращения гидромотора n=1600 об/мин.

Режим работы гидроцилиндра и гидроматора - не одновременный (см. рис. 6.5).

 

Рисунок 6.5 – Заданная циклограмма работы гидропривода

 

Температура окружающей среды t₀=+30^ºС (летом), t_{o =} -35^ºС (зимой).

Масса передвигаемого механизма m_м = 500 кг.

Время разгона механизма τ =0,75 с

Длина трубопроводов: l₁ =0,6м, l₂= 3,5м, l₃ = l₄ = 7,0м,

l₅ = 9,5м, l₆ = l0,5 l₇ = 4,0м.

Местные сопротивления: на участке 1 – вход в трубу и один плавный поворот; на всех остальных участках – по одному угольнику и по три плавных поворота.

 

Рисунок 6.5 – Принципиальная гидравлическая схема:

Н – насос; Ц – гидроцилиндр; М – гидромотор; Р – четырехсекционный распределитель (А –напорная секция с обратным и предохранительным клапанами; В – рабочая с трех позиционным золотником управления гидромотором; С – рабочая с трех позиционным золотником и блоком предохранительных клапанов для управления гидроцилиндром; D – сливная); Ф – фильтр; З – гидрозамок; Б – маслобак.

 

Гидропривод включает два независимых друг от друга потока жидкости: гидроцилиндра Ц и гидромотора М с двумя индивидуальными гидроаппаратами управления. Оба потока питаются от одного насоса Н с маслобаком Б и фильтром Ф. Секционный распределитель Р кроме золотников оборудован обратным и предохранительным клапаном, а также блоком из двух предохранительных клапанов – для защиты гидроцилиндра от высокого (избыточного) давления.

 

Расчет и выбор цилиндра

 

При заданном усилии на штоке гидроцилиндра F=20т (200000 H) по таблицам 4,5 принимаем:

- рабочее давление Р_р = 20 МПа;

- условное давление Р_у = 25 МПа;

- пробное давление Р_пр = 35 МПа,

Расчетное усилие на штоке с учетом сил трения и инерции

F_ш = 1,2 * F = 1,2*200000=240000 H.

Расчетный диаметр гидроцилиндра по формуле (6):

D = = = 0,138 м.

В соответствии с ГОСТ из табл.9. принимаем цилиндр Ц140.1250-33 с клапанной разгрузкой.

 

Техническая характеристика гидроцилиндра Ц140.1250-33.

Давление, МПа: номинальное 16

максимальное 20

Коэффициент полезного действия (общий) 0,91

Усилие, кН: толкающее 259

тянущее 210

Ход штока, мм 1250

Диаметр, мм: цилиндра 140

штока 80

Отношение площадей D²/(D²-d²) 1,48

Тип уплотнений: шевроны, манжеты, кольца.

Моторесурс, ч 8000

 

Расход жидкости гидроцилиндром и время движения:

- при прямом ходе

Q_цпх = ʋ_пх*πd²/(4*η₀) = 0,10*3,14*0,14²/(4*0,97) = 0,00159 м³/с;

Время прямого хода: t_пх =l/Ʋ_пх = 1,05/0,1 = 10,5с;

- при обратном ходе

Q_цох = ʋ_ох*πd²/(4*η₀) = 0,28*3,14*0,07²/(4*0,97) = 0,0011 м³/с;

Время обратного хода: t_ох= l /ʋ_ох=1,05/0,28=3,75c.

Таким образом, для обеспечения заданной скорости и усилия гидроцилиндра подача насоса должна быть не менее Q_н=0,00159*60*1000=95,2 л/мин, а давление Р_н не менее 16 МПа.

 

Расчет и выбор гидромотора

 

По заданным параметрам (М = 115 H·м и n = 1600 об/мин) определим выходную мощность гидромотора.

N_{м вых} = М*ω = М*πn/30 = 115*3,14*1600/30 = 19259 Вт.

Из таблицы 1.1 принимаем нерегулируемый гидромотор типа 210.20.

 

Техническая характеристика гидромотора 210.20

Рабочий объем, см³/об 54,8

Давление на входе, МПа: - номинальное 20

- максимальное 25

Частота вращения, об/мин: - номинальная 1500

- максимальная 2240

Крутящий момент, Н*м: - номинальный (20МПа) 174

- максимальный (25МПа) 218

Температура рабочей жидкости, ˚С:

- минимальная -25

- максимальная +70

КПД при вязкости 33 сСт, Р_ном, n_ном:

- объемный 0,95

- механический 0,93

Рабочая жидкость: - зимой ВГМЗ или АМГ-10;

- летом МГ-20, МГ-30 или ИС-20, ИС-30

Масса гидромотора, кг 23

 

В нашем случае давление на входе в гидромотор, принимаем равным номинальному давлению гидроцилиндра (16 МПа). Оно отличается от номинального давления гидромотора (20 МПа). Поэтому по формулам (6.22), (6.24), найдем величины момента (М) и расхода жидкости (Q) гидромотором при Р=16 Мпа, n =1600 об/мин и V_o=54,8 см³/об:

М = 54,8*10^-6*16*10⁶*0,93 / (2*3,14) = 129,8 Н*м,

Q = 54,8 * 10^-6*1600 /(0,95· 60) = 0,00154 м³/с,

где η_гм, η_ом – гидромеханический и объемный КПД; принято: η_гм=0,93, η_ом=0,95 – из технической характеристики.

Итак, для обеспечения гидромотором заданного момента (М=115 Н*м) и скорости вращения (n=1600 об/мин) подача насоса должна быть равной Q_н=0,00154 * 60000=92,4 л/мин, а давление - не менее Р=16 МПа. Заметим, что расходы жидкости гидроцилиндром (95,2 л/мин) и гидромотором (92,4 л/мин) случайно оказались очень близкими по величине, что совсем не является обязательным условием.

 

Выбор гидронасоса

 

Из заданной циклограммы рабочего процесса (рис.6.5) видно, что гидроцилиндр и гидромотор не одновременно работают. Они имеют одинаковые давления и несколько отличающиеся расходы (92,4 и 95,2 л/мин при Р=16 МПа). Из таблицы 6.20 для наших условий принимаем регулируемый аксиально-поршневой насос типа 207.20 с автоматическим регулятором мощности. Насос выпускается Воронежским экскаваторным заводом. Регулирование осуществляется изменением угла наклона поворотного корпуса гидравлическим сервоприводом. В нашем случае это позволит более эффективно регулировать оба независимых потока (гидроцилиндра и гидромотора).

 

 

Техническая характеристика насоса 207.20

Максимальный рабочий объем, см³/об 54,8

Давление, МПа: - номинальное 20

- максимальное 25

Подача насоса, л/мин: - номинальная 95

- максимальная 169

Частота вращения, об/мин: - номинальная 1800

- максимальная 3200

Мощность, потребляемая насосом (номин.), кВт 31,5

Температура рабочей жидкости, ˚С -25….+70

КПД при вязкости 33сСт и номин. nи Р:

- объемный 0,965

- механический 0,935

- общий 0,90

Рабочая жидкость: - зимой ВМГЗ или АМГ-10;

- летом МГ-20, МГ-30 или ИС-20,ИС-30

Масса насоса (без регулятора), кг 37

 

Выбор гидрораспределителей

 

Согласно схемы (рис.6), проектируемый гидропривод содержит два контура управления: гидроцилиндром и гидромотором. Поскольку они работают не одновременно (рис.5), то принимаем индивидуальную схему их управления с помощью двух распределителей (золотников). Они могут быть моноблочными (отдельными) или исполнены в одном корпусе (секционными). Принимаем четырехсекционный распределитель Р20 на давление Р_ном=20 МПа с двумя трех позиционными золотниками и условным проходом 20 мм [21, 13].

 

Техническая характеристика четырехсекционного распределителя Р20 с ручным управлением

Условный проход, мм 20

Расход жидкости, л/мин: номинальный 100

максимальный 125

Давление, МПа: номинальное 20

максимальное 25

Внутренние утечки масла, см³/мин (не более) 50

Число секций: рабочих 2

всего 4

Потери давления в секциях, МПа: во входной (А) 0,18

в рабочей (В) 0,32

в рабочей (С) 0,32

в сливной (D) 0,18

Максимальное усилие на перемещение золотника, Н 350

Масса распределителя, кг 13,5

 

П р и м е ч а н и е: потери давления соответствуют номинальному расходу и температуре масла 50˚С.

 

При нейтральном положении золотников во входной секции А предусмотрен предохранительный клапан для защиты насоса Н от высокого давления, а также обратный клапан – для исключения противотока жидкости и, как следствие, гидравлического удара.

В секции С распределителя Р (рис. 6.6) вмонтированы также два предохранительных клапана для защиты обеих полостей гидроцилиндра Ц от избыточного давления (более 16 МПа), поскольку номинальное давление принятого насоса в нашем случае составляет 20 МПа.

Во время пауз в работе гидроцилиндра и гидромотора выбранный регулируемый насос 207.20 снижает свою подачу до нуля, что уменьшает затраты энергии на работу гидропривода.

 

Выбор гидрозамка

 

Гидрозамок представляет собой управляемый обратный клапан. При подаче давления управления в полость золотника, перемещающего запирающий элемент, происходит открытие замка и жидкость проходит в прямом и обратном направлениях. При отсутствии управляющего давления гидрозамок пропускает жидкость только в одном направлении (в нашем случае в бесштоковую полость цилиндра Ц) и запирает поток в обратном, предотвращая самопроизвольное отпускание рабочего органа.

По требуемому расходу прямого хода Q_цпх = 0,00159 м³/с (95,2 л/мин) и давлению Р_раб = 16МПа принимаем односторонний гидрозамок типа 61700 [21].

 

Техническая характеристика гидрозамка 61700

Условный проход, мм 20

Номинальный расход, л/мин 100

Давление, МПа: номинальное 31,5

максимальное 35

Потери давления при номинальном расходе и температуре масла 50˚С, МПа 0,05

Масса, кг 4,2

 

Выбор гидробака

 

Требуемая максимальная подача насоса составляет 0,00159 м³/с =95,2 л/мин. Объем гидробака принимаем равным 2-х минутной подачи насоса, то есть W= 2 * 95,2 = 190,4 дм³. С учетом требований ГОСТ 12448-80 округляем полученное значение объема и принимаем номинальную вместимость гидробака W= 200 дм³. Бак заполняется рабочей жидкостью на 0,8 W,то есть объем масла в баке, будет W = 0,8 * 200 = 160л.

 

 

Выбор фильтра

 

Наиболее дорогостоящими устройствами проектируемой системы являются гидромотор и гидронасос. Заводы изготовители этих устройств рекомендуют обеспечить тонкость фильтрации 25 мкм. Установим в проектируемой системе полнопоточный фильтр на сливе рабочей жидкости, то есть при избыточном давлении близким к нулю.

Для контроля пропускной способности фильтра, которая может снижаться из-за загрязнения фильтроэлементов или повышения вязкости жидкости при низкой температуре, устанавливаем переливной клапан (рис.7), который срабатывает при давлении 0,35 МПа. При этом жидкость поступает в гидробак, минуя клапан и не разрушая его. Для наших условий принимаем сетчатый фильтр типа 0,05 С42-11.

 

Техническая характеристика фильтра 0,05С42-11

Номер сетки фильтрующего элемента 0,04

Наименьший размер задерживаемых частиц, мм 0,05

Пропускная способность номинальная, л/мин 120

Потери давления при номинальной пропускной способности и вязкости 80сСm, МПа 0,05

Рабочее давление, МПа до 0,6

 

Рабочая жидкость

 

При выборе рабочей жидкости руководствуемся заданными температурными условиями работы гидропривода, а также рекомендациями, указанными в технических характеристиках выбранных насосов, гидромоторов, гидроцилиндров.

В нашем случае для заданных температурных условии (t=±35°С) и принятом силовом оборудовании по табл. 2.4 принимаем всесезонное масло ВМГ3.

Техническая характеристика масла ВМГ3.

Плотность, кг/ 860

Вязкость, (сСт) при атмосферном давлении и температуре, равной:

0°С 66

+55°С 10

Температура,°С: вспышки +135

застывания -60

Температурные пределы применения, °С -40…+35

 

Вязкость масла ВГМ3 при температуре t=+35 °С составляет , а при t= -35 °С . Такие значения коэффициента вязкости соответствовали бы неработающему гидроприводу. При его работе возникают потери давления в трубопроводах, гидроаппаратах, насосе, гидромоторе, гидроцилиндре, фильтре. Эти потери превращаются в тепло, которое, с одной стороны воспринимается жидкостью (её температура повышается), а с другой передается окружающему воздуху.

В соответствии с положениями теплового расчета (см. п. 6.6) принимаем допустимую температуру рабочей жидкости, равной: - для летних условии и - для зимних условий.

Тогда кинематический коэффициент вязкости принятого масла ВГМЗ по формулам (4), (5) с учетом рабочего давления p=20 МПа будет

- для летних условий (:

-для зимних условий (: