Некрасов В.И. Гидродомкрат с ручным приводом
Подождите немного. Документ загружается.
средства защиты его от чрезмерно высоких и низких давлений
жидкости. К гидроаппаратуре относятся дроссели, клапаны разного
назначения и гидрораспределители – устройства для изменения
направления потока жидкости.
Вспомогательные устройства – это так называемые
кондиционеры рабочей жидкости, обеспечивающие её качество и
состояние. К ним относятся различные отделители твердых частиц,
в том числе фильтры, теплообменники (нагреватели и охладители
жидкости), гидробаки, а также гидроаккумуляторы.
Перечисленные элементы связаны между собой
гидролиниями, по которым движется рабочая жидкость.
Принцип действия объёмных гидромашин основан на
попеременном заполнении и опорожнении ограниченных
пространств (рабочих камер), периодически сообщающихся с
местами входа и выхода рабочей жидкости.
При перемещении рукоятки рычага 1 вверх серьга 13
поднимает плунжер 2 в гидроцилиндре насоса 5. Рабочая жидкость
из бака 4 по всасывающей магистрали 7 и обратному клапану 11
поступает в подплунжерное пространство. Обратный клапан 10
напорной магистрали 8 в это время закрыт.
Если приложить силу F
1
к наконечнику рычага 1, то серьга 13
передаст усилие F
2
на плунжер 2. Рабочая жидкость под давлением
p
2
преодолевает сопротивление обратного клапана 10 и по
нагнетательному каналу 8 поступает в гидроцилиндр двигателя 6.
Обратный клапан 11 и запорный вентиль 12 в это время закрыты.
Если пренебречь потерями давления в системе, то по закону
Паскаля давление в цилиндрах 5 и 6 будет одинаковым и равным
р = F
2
/S
2
= F
3
/S
3
,
11
где S
2
и S
3
– площади поршней цилиндров 5 и 6.
Совершая неоднократные движения рычагом 1 на величину h
1
,
перемещаем плунжер 2 на величину h
2
, перекачиваем рабочую
жидкость из бака 4 в цилиндр гидродвигателя 6, где, преодолевая
силу F
3
, перемещаем поршень 3 на величину h
3
.
Если открыть запорный клапан 12, то рабочая жидкость по
дополнительной магистрали 9 перетекает из цилиндра
гидродвигателя 6 в масляный бак 4.
При ходе плунжера 2 насоса из одного крайнего положения в
другое объем жидкости в цилиндре 5 изменяется на величину
q
2
= h
2
S
2
;
где h
2
- ход плунжера 2, S
2
- площадь гидроцилиндра 5
насоса.
Этот объем определяет теоретическую подачу насоса за один
рабочий ход и называется рабочим объёмом.
В насосах, где входное звено совершает не возвратно-
поступательное, а непрерывное вращательное движение, рабочим
объемом гидромотора называют подачу за один оборот вала.
Рабочий объем насоса служит его основным параметром и
указывается в технической характеристике. Он измеряется в дм
3
(литрах) или см
3
, обозначается q.
q = h
2
(p d
2
2
) / 4 = h
3
(p d
3
2
) / 4; (1)
h
2
d
2
2
= h
3
d
3
2
; V
2
d
2
2
= V
3
d
3
2
;
(2)
h
2
/ h
3
= d
3
2
/
d
2
2
= V
2
/V
3
;
(3)
где d
2
, d
3
– соответственно диаметр плунжера 2 и диаметр
поршня 3; V
2
, V
3
– скорость плунжера и поршня; h
3
– ход поршня 3.
12
Для гидроприводов подобного типа хода плунжера насоса и
поршня исполнительного цилиндра обратно пропорциональны
квадратам диаметров их цилиндров (плунжеров, поршней) или
рабочим площадям. Скорость плунжеров (поршней) также
обратно пропорциональна их рабочим площадям, так как их
перемещения происходят в одно и то же время.
Произведение рабочего объема «q» на число рабочих ходов
или оборотов входного вала насоса «n» в единицу времени есть
теоретическая подача насоса, она измеряется в дм
3
/с или л/мин и
служит одним из основных параметров гидропривода, так как
определяет скорость исполнительных механизмов, она
обозначается Q.
Q = q n = V
2
S
2
= V
3
S
3
. (4)
К основным параметрам также относится рабочее давление
жидкости «р», оно указывается в технической характеристике.
р = F / S; F
2 =
p S
2
; F
3
= p S
3
; (5)
F
3
/ F
2
= (p S
3
) / (p S
2
) = d
3
2
/ d
2
2
= (d
3
/ d
2
)
2
. (6)
Т.е. сила F
3
во столько раз больше силы F
2
, во сколько
площадь поршня 3 гидродвигателя больше площади плунжера 2
насоса или отношения диаметров поршня и плунжера в
квадрате.
Сопоставив соотношения (6) и (3), получим
F
3
/
F
2
= h
2
/ h
3
= (d
3
/ d
2
)
2
= U
г
. (7)
Это соотношение обратной пропорциональности представляет
собой гидравлическое передаточное число U
Г
= (d
3
/ d
2
)
2
13
гидропривода с гидродвигателем поступательного движения. Оно
аналогично механическому передаточному числу U
М
= l
1
/ l
2
простого рычага. Если к длинному концу рычага 1 приложить
силу F
1
, то этим рычагом можно преодолеть силу F
2
, во столько раз
большую силы F
1
, во сколько раз короткое плечо рычага l
2
меньше
длинного l
1
. А путь (ход плунжера) h
2
во столько раз меньше пути
h
1
, во сколько раз короткое плечо рычага меньше длинного. Это
правило рычага представляется также в виде обратной
пропорциональности, т.е.
F
2
/ F
1
= h
1
/ h
2
= l
1
/ l
2
= U
М
. (8)
Механические потери складываются из потерь на трение в
подшипниках, сальниках (уплотнениях), поршней и т.п. о
жидкость; они учитываются механическим КПД. Механический
КПД выражает влияние потерь на трение в механизме на
эффективность его работы и для гидродомкрата с ручным приводом
(без учета потерь поршня 3 гидродвигателя) равен
h
м
= N
2
/ N
1
;
(9)
где N
1
= F
1
V
1
;
N
2
= F
2
V
2
=
p
2
Q
2
- соответственно мощность
на рукоятке рычага 1 и на плунжере 2 гидронасоса.
Объемные потери оцениваются объемным КПД и
определяются утечками жидкости из напорной полости через
зазоры между рабочим органом и корпусом гидромашины. Для
большинства поршневых насосов h
о
= 0,85 – 0,98.
Гидравлические потери возникают в рабочих органах
гидромашины и представляют разность между теоретическим и
действительным давлением жидкости. Гидравлические потери
оцениваются гидравлическим КПД. Гидравлические КПД,
14
определяемые потерями напора в клапанах, находятся в пределах h
г
= 0,8 – 0,9.
Общий, или полный, КПД гидромашины представляет собой
произведение КПД механического, объемного и гидравлического.
Полный КПД характеризует степень совершенства конструкции
гидромашины в механическом и гидравлическом отношениях. В
насосах современных конструкций (без учета механического
привода) h
м
= 0,9 – 0,97; h
о
= 0,95 – 0,98; h
г
= 0,9 – 0,95.
Максимальный полный КПД крупных современных насосов – h
п
=
0,92; для малых и средних насосов – h
п
= 0,5 - 0,75. При перекачке
жидкостей, отличающихся по вязкости от воды, КПД может быть
ниже. В гидроцилиндрах с резиновыми кольцевыми уплотнениями
h
м
= 0,85 – 0,95; h
о
= 0,98 – 0,99; h
г
1,0.
При выполнении расчетов необходимо обращать внимание на
анализ размерностей физических величин. Например,
N = p Q = F V = T w;
где N – мощность, Вт = Нм/с; p – давление, Па = Н/м
2
; Q –
подача жидкости, м
3
/с; F – сила, Н; V – линейная скорость, м/с; T –
крутящий (вращающий) момент, Нм; w - угловая скорость, 1/с.
Подставляя размерности физических величин, получим –
N (Нм/с) = p Q (Н/м
2
)(м
3
/с) = Нм/с = F V (Н)(м/с) = T w (Нм/с).
2. РАСЧЕТ ГИДРОДОМКРАТА С РУЧНЫМ ПРИВОДОМ
2.1 Задание – исходные данные
Определить основные параметры (силы, давления, мощности,
рабочие объемы, подачи, скорости и т.д.) на различных участках
15
системы, а также толщину стенки цилиндра гидродвигателя при
двух вариантах:
1. идеальный (условный) – КПД 100 %;
2. реальный, с учетом КПД.
Дано: F
1
= 100 H; V
1
= 2 м/с; h
1
= 100 мм; l
1
= 300 мм;
l
2
= 30 мм; d
2
= 10 мм; d
3
= 100 мм; h
м
= 0,90; h
о
= 0,95; h
г
= 0,95.
Определить: S
2
, S
3
, U
м
, U
г
, U
п
, F
2
, р, F
3
, V
2
, V
3
, h
2
, h
3
, q
2
,
Q
2
, Q
3
,
N
1
, N
2
, N
3
, t, s, V
т
, Re, q
3
, Q
б
; h
п
, F
2р
, р
2 р
, N
2р
, р
3р
, F
3р
,
V
3р
, Q
3р
, N
3р
, t
3р
, s
3р
, t
3рмах
, t
3рмах
, s
3рмах
.
2.2. Расчет гидродомкрата с ручным приводом без учета КПД
1. Определяем площадь плунжера гидронасоса
S
2
= pd
2
2
/4 = 0,785 d
2
2
= 0,785 ´ 10
2
= 78,5 мм
2
=
= 78,5 ´ 10
-6
м
2
.
где d
2
- диаметр плунжера, мм.
2. Определяем площадь поршня гидродвигателя
S
3
= pd
3
2
/4 = 0,785 d
3
2
= 0,785 ´ 100
2
= 7850 мм
2
.
где d
3
- диаметр поршня, мм.
3. Определяем механическое передаточное число рычага
ручного привода
U
м
= l
1
/l
2
= 300/30 = 10.
16
где l
1
и l
2
– плечи действия сил F
1
и F
2
соответственно, мм.
4. Определяем гидравлическое передаточное число
гидравлической силовой передачи
U
г
= S
3
/ S
2
= 7 850/78,5 = 100;
U
г
= (d
3
/
d
2
)
2
= (100/10)
2
= 100.
5. Определяем полное (общее) передаточное число устройства
U
п
= U
м
U
г
= 10 ´
100 = 1 000.
6. Определяем силу, действующую на плунжер гидронасоса,
F
2
= F
1
U
м
= 100 ´
10 = 1 000 H.
7. Рассчитываем давление рабочей жидкости в системе
р = F
2
/ S
2
= 1 000/(78,5´10
-6
) = 12,74´10
6
Па =
= 12,74 МПа;
р = F
2
/ S
2
= 1 000/78,5 = 12,74 МПа.
Расчет удобно вести в Н и мм
2
, так как 10
6
компенсируются.
8. Определяем силу, действующую на поршень
гидродвигателя,
F
3
= F
2
U
г
= 1 000 ´
100 = 100 000 H = 100 кН;
17
F
3
= F
1
U
п
= 100 ´
1 000 = 100 000 H;
F
3
= р S
3
= 12,74 ´
7 850 = 100 000 Н = 100 кН.
(МПа ´
мм
2
= Па ´
м
2
= Н/м
2
´
м
2
= Н)
9. Определяем скорость перемещения плунжера гидронасоса
V
2
= V
1
/ U
м
= 2,0/10 = 0,2 м/с = 200 мм/с.
где V
1
– скорость перемещения рукоятки рычага, м/с.
10. Определяем скорость перемещения поршня
гидродвигателя
V
3
= V
2
/ U
г
= 0,2/100 = 0,002 м/с;
V
3
= V
1
/ U
п
= 2,0/1 000 = 0,002 м/с = 2 мм/с.
11.Определяем ход (величину перемещения) плунжера гидронасоса
h
2
= h
1
/ U
м
= 100/10 = 10 мм.
где
h
1
– ход рукоятки рычага, мм.
12. Определяем ход поршня гидродвигателя
h
3
= h
2
/ U
г
= 10/100 = 0,10 мм.
13. Определяем рабочий объем гидронасоса
q
2
= q
3
= S
2
h
2
= 78,5 ´
10 = 785 мм
3
= 0,785 см
3
.
18
14. Определяем разовую подачу гидронасоса при
рабочем ходе
Q
2
= V
2
S
2
= 200 ´
78,5 = 15 700 мм
3
/с = 15,7 см
3
/с.
Q
3
= V
3
S
3
= 2 ´
7 850 = 15 700 мм
3
/с.
15. Рассчитываем мощность на рукоятке рычага ручного
привода
N
1
= F
1
V
1
= 100 ´
2 = 200 Вт.
16. Рассчитываем мощность создаваемую плунжером
гидронасоса
N
2
= F
2
V
2
= 1 000 ´
0,2 = 200 Вт;
N
2
= p
2
Q
2
= 12,74 ´ 15,7 = 200 Вт.
где p
2
–давление жидкости в системе, МПа; Q
2
– подача
рабочей жидкости, см
3
/с. (10
6
H/м
2
´ см
3
/с = Н/м
2
´ м
3
/с = Нм/с).
17. Рассчитываем мощность создаваемую поршнем
гидродвигателя
N
3
= F
3
V
3
= 100 000 ´
0,002 = 200 Вт.
18. Рассчитываем толщину стенки цилиндра гидродвигателя
t = pd
3
/(2[s]) = 12,74 ´
100 / (2 ´ 157) = 4,06 мм
4,0 мм.
19
где [s] - допускаемое напряжение в стенках цилиндра
гидродвигателя, МПа; [s] = s
т
/ n, для цилиндра из стали 35 - [s] =
s
т
/n=314/2=157 МПа, n = 2 – коэффициент запаса прочности.
19. Выполним проверочный расчет прочности
гидроцилиндра
s = (D
3
2
+d
3
2
)p/(D
3
2
-d
3
2
) =
= (108
2
+100
2
)12,74/(108
2
-100
2
) =165,9 МПа.
где D
3
= d
3
+ 2 t = 100 +2 ´ 4 = 108 мм – наружный диаметр
гидроцилиндра.
Полученный результат превышает допускаемое напряжение,
для гарантии прочности гидроцилиндра необходимо увеличить
толщину стенки или применить более прочный материал – сталь 40
- [s] = s
т
/ n = 333/2 = =166,5 МПа.
s =165,9 МПа £ [s] = 166,5 МПа.
Условие обеспечения прочности гидроцилиндра
выполнено.
20. Рассчитываем скорость потока жидкости в трубопроводе
напорной магистрали
V
т
= Q
2
/S
т
= 4Q
2
/(pd
т
2
) = Q
2
/(0,785 d
т
2
) =
= 15700/(0,785 ´
2
2
) = 5 000 мм/с = 5,0 м/с.
где d
т
= 2 мм – внутренний диаметр трубопровода.
20