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 Sδ теплоотдачи маслобака
(6.67)
где - емкость маслобака, м2.
Определяется площадь теплоизлучающих поверхностей SГП всех элементов гидропривода (трубопроводов, насоса, гидроцилиндров, гидромоторов, гидрораспределителей, маслобака).
SГП = Sδ · αδ (6.68)
где αδ - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей машины; принимается по табл.34.
Рассчитывается установившееся температура рабочей жидкости в системе гидропривода [20]
+ Δ
/ (К ·
), (6.69)
где to – 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…70ºС 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…50ºС (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 60ºС. 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 ʋпх=0,10 м/с;
- обратный ход ʋох=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=+30ºС (летом), to = -35ºС (зимой).
Масса передвигаемого механизма mм = 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 Рр = 20 МПа;
- условное давление Ру = 25 МПа;
- пробное давление Рпр = 35 МПа,
Расчетное усилие на штоке с учетом сил трения и инерции
Fш = 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
Qцпх = ʋпх*πd2/(4*η0) = 0,10*3,14*0,142/(4*0,97) = 0,00159 м3/с;
Время прямого хода: tпх =l/Ʋпх = 1,05/0,1 = 10,5с;
- при обратном ходе
Qцох = ʋох*πd2/(4*η0) = 0,28*3,14*0,072/(4*0,97) = 0,0011 м3/с;
Время обратного хода: tох= l /ʋох=1,05/0,28=3,75c.
Таким образом, для обеспечения заданной скорости и усилия гидроцилиндра подача насоса должна быть не менее Qн=0,00159*60*1000=95,2 л/мин, а давление Рн не менее 16 МПа.
Расчет и выбор гидромотора
По заданным параметрам (М = 115 H·м и n = 1600 об/мин) определим выходную мощность гидромотора.
Nм 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, Рном, nном:
- 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 Vo=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 ηгм, ηом – гидромеханический и объемный КПД; принято: ηгм=0,93, ηом=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 Qн=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 Рном=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 Qцпх = 0,00159 м3/с (95,2 л/мин) и давлению Рраб = 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 ( :