ПРОСТЕЙШАЯ ГИДРОПЕРЕДАЧА. ГИДРОДОМКРАТ С РУЧНЫМ ПРИВОДОМ

2.1 Основные положения и определения

Гидравлическая передача - это составная силовая часть ГП (гидропривода), которая состоит из ГМ (гидромашин) и гидролиний, она на входе преобразует механическую энергию в гидравлическую, которая   передается РЖ (рабочей жидкостью), затем на выходе снова переходит в механическую энергию, приводящую в действие исполнительные механизмы.

Энергия – величина, характеризующая состояние системы. Состояние системы меняется, когда в системе тел производится работа. Различают два вида механической энергии: кинетическую - энергию движения, зависящую от относительной скорости тел, и потенциальную – энергию положения, зависящую от относительного расположения тел.

По принципу рабочего процесса гидравлические передачи подразделяются на объемные и гидродинамические.

ГМ (гидравлические машины) служат для преобразования механической энергии в энергию перемещаемой жидкости ГН (гидронасосы) или для преобразования гидравлической энергии потока в механическую энергию ГД (гидравлические двигатели – гидромоторы , которых может быть несколько).

Принцип действия объёмных гидромашин основан на попеременном заполнении и опорожнении ограниченных пространств (рабочих камер), периодически сообщающихся с местами входа и выхода РЖ.

Схема простейшей гидропередачи с ручным приводом приведена на рис. 1, а упрощенный общий вид – на рис. 2.

Рис. 1. Схема простейшей гидропередачи

 

Рис. 2. Упрощенный общий вид гидродомкрата

 

Сила, действующая на плунжер ГН (насоса) F _н равна силе на наконечнике рычага F _р , увеличенную на механическое передаточное число         U _м = L / l , F _н = F _р U _м .

Два ГЦ (гидроцилиндра) 1 и 2 заполнены РЖ и соединены между собой трубопроводом (рис. 1).

Поршень (плунжер) ГЦ (цилиндра) ГН (насоса) 1 под действием силы F _н перемещается вниз на расстояние h_н, вытесняя РЖ в цилиндр ГД (гидродвигателя) 2.

Поршень ГЦ 2 преодолевает силу F _д , которая равна силе F _н , увеличенной на гидравлическое передаточное число U _г = ( D / d )², F _д = F _н U _г , и поднимается на h _д.

Принцип действия объемной гидропередачи основан на малой сжимаемости капельных жидкостей и передаче давления в них по закону Паскаля - давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково.

Основные параметры

Если пренебречь потерями давления в системе, то по закону Паскаля давление в ГЦ (цилиндрах) будет одинаковым и равным:

 

1. Р = F _н / S _н = F _д / S _д, [Па = Н/м²] F _н = РS _н .

 

где S _н и S _д – площади поршней ГЦ (цилиндров) ГН (насоса) 1 и ГД (гидродвигателя) 2 в м².

Часто применяют мегапаскаль - 1МПа = 10⁶ Па= 1 Н/мм².

 

Считая жидкость практически несжимаемой, можно записать                          

2. q = S _н h _н = S _д h _д или 3. Q = S _н V _н = S _д V _д ,

 

где q – рабочий объем в м³; h – ход поршней в м: Q – подача РЖ насосом (расход ГД - гидродвигателя) в м³/с; V – скорости перемещения поршней в м/с.

Мощность, затрачиваемая на перемещение поршня в ГЦ (цилиндре) 1, выражается соотношением:

4. N _н = F _н V _н = Р S _н V _н = Р Q . [Вт = Нм/с]

 

Так как расход жидкости Q = S _н V _н, то условие передачи энергии (при отсутствии сил трения) можно представить в виде: 

5. N = F _н V _н = Р Q = F _д V _д ,

где Р Q – мощность потока жидкости; F _д V _д – мощность, развиваемая поршнем ГЦ (цилиндра) 2, т.е. это работа выходного звена, отнесенная к единице времени.

Гидравлическое передаточное число, равное отношению сил на      выходе и входе гидропередачи, можно представить, как отношение диаметров цилиндров во второй степени (в квадрате). Учитывая, что F = Р S _, получим:

6. U _г = F _д / F _н = ( S_д/ S_н) = (π D ² /4) / (πd ² /4) = ( D / d )².

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 в основном определяется потерями в ручном приводе. Упрощенно считаем:

7. h _м = N _н / N _р ,

 

где N _р = F _р V _р ; N _н = F _н V _н =   PQ - соответственно мощность на наконечнике рычага и на поршне 1 ГН (гидронасоса).

  Объемные потери оцениваются объемным КПД и определяются утечками жидкости из напорной полости через зазоры между рабочим органом и корпусом ГМ (гидромашины). Для большинства поршневых насосов h _о = 0,85 – 0,98.

Гидравлические потери возникают в рабочих органах ГМ и представляют разность между теоретическим и действительным давлением жидкости. Гидравлические потери оцениваются гидравлическим КПД. Гидравлические КПД, определяемые потерями напора в клапанах, находятся в пределах h _г = 0,8 – 0,9.

Общий, или полный, КПД ГМ представляет собой произведение КПД механического, объемного и гидравлического.

 

8. h _п = h _м h _о h _г = N _д / N _р .

 

Полный КПД характеризует степень совершенства конструкции ГМ 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 ГЦ (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 единиц физических величин. Например, N = P Q = F V = T w ;

где N – мощность, Вт = Нм/с; P – давление, Па = Н/м²; Q – подача жидкости, м³/с; F – сила, Н; T – крутящий (вращающий) момент, Нм; V – линейная скорость, м/с; w - угловая скорость, 1/с.

Подставляя единицы физических величин, получим:

N (Нм/с) = PQ (Н/м²)(м³/с) = Нм/с = F V (Н)(м/с) = T w (Нм/с).

Пример расчета

Решение примера является допуском к зачету или экзамену.

Дано: F _р = 200 Н – сила на наконечнике рычага;

        V _р = 2,0 м/с – скорость наконечника рычага;

       L = 500 мм = 0,5 м – длинное плечо рычага;

       l = 25 мм – короткое плечо рычага;

       d = 20 мм – диаметр плунжера ГН (гидронасоса);

        D = 600 мм – диаметр поршня ГД (гидродвигателя);

       h _п = 100 %.

Определить: мощности: N _р , N _н , N _д - на наконечнике рычага, плунжере ГН (гидронасоса)  и поршне ГД (гидродвигателя). Для этого надо рассчитать: U _м , U_г - величины передаточных чисел; F _н , F _д – силы; V _н , V _д - скорости плунжера ГН и поршня ГД; Р - давление, Q - расход и N _г -  мощность потока РЖ (рабочей жидкости),

1. Непосредственно из исходных данных определяем мощность на      наконечнике рычага:

N _р = F _р V _р = 200 х 2,0 = 400 Вт.

2. Определяем механическое передаточное число рычага:

 

U _м = L / l = 500/25 = 20.

3. Рассчитываем силу плунжера ГН (гидронасоса):

 

F _н = F _р U _м = 200 х 20 = 4 000 Н.

4. Рассчитываем скорость плунжера ГН:

 

V _н = V _р / U _м = 2,0 / 20 = 0,1 м/с = 10 см/с.

5. Определяем мощность плунжера ГН:

 

N _н = F _н V _н = 4 000 х 0,1 = 400 Вт.

6. Определяем гидравлическое передаточное число:

U _г = ( D / d )² = (600/20)² = 900.

7. Рассчитываем силу поршня ГД (гидродвигателя):

 

F _д = F _н U _г = 4 000 х 900 = 3 600 000 Н.

8. Рассчитываем скорость поршня ГД:

 

V _д = V _н / U _г = 0,1 / 900 = 0,00011 м/с.

9. Определяем мощность поршня ГД:

 

N _д = F _д V _д = 3 600 000 х  0,00011 = 400 Вт.

10. Определяем площадь плунжера ГН:

S _н = πd ² /4 = 0,785 d ² = 0,785 х 20² = 314 мм² = 3,14 см².

11. Рассчитываем давление жидкости под плунжером ГН, учитывая, что: 1 м² = 10⁶ мм²,  1МПа = 10⁶ Па = 1 Н/мм²:

 

Р = F _н / S _н = 4 000/314 = 12,74 МПа.

12. Рассчитываем подачу жидкости, создаваемую плунжером ГН, для наглядности и удобства дальнейших расчетов удобно использовать не    м²х м/с = м³/с, а см²х см/с = см³ /с:

 

Q _н  = S _н V _н  = 3,14 ^. 10 = 31,4 см³ /с.

13. Определяем мощность потока жидкости, учитывая, что

1 м³ = 10⁹ мм³ = 10⁶ см³, 1 МПа = 10⁶ Па, 10⁶ сокращаются:

 

N _г = P Q _н = 12,74 х 31,4 = 400 Вт.

Для понимания взаимосвязи между величинами рассчитаем мощность на рычаге через крутящий момент и угловую скорость:

    

N = P Q = F V = T w .

 

14. Определяем крутящий момент на рычаге:

 

T = F _р L = 200 х 0,5 = 100 Нм.

 

15. Определяем угловую скорость рычага:

w = V _р / L = 2,0/0,5 = 4,0 с^-1.

16. Определяем мощность на рычаге:

 

N _р = T w = 100 х 4,0 = 400 Вт.

 

Проверяем результаты расчетов. Так как потери энергии в расчетах не учтены (h _п = 100 %), то величина мощности во всех случаях должна быть одинакова - N _р = 400 Вт.

Некоторые результаты расчетов можно проверить по рис. 3.

На рис. 3. по оси абсцисс (горизонтали) отложены величины диаметра плунжера от 4 до 20 мм. По правой оси ординат - величины площадей плунжера от 20 до 320 мм². Кривая линия слева вверх направо характеризует зависимость площади плунжера от его диаметра. Например, для d = 10 мм расчетное значение S _н =78,50 мм², для d = 15 мм; S _н = 176,63 мм².

На рис. 3 эти значения можно определить с точностью в половину цены деления сетки графика, т.е. 0,5 мм². Для первой точки можно записать S _н ≈ 78,5 мм², для второй точки S _н ≈ 176,5 мм². Для выполненного ранее расчета точка S _н = 314 мм² расположена на правой ординате над d = 20 мм.

По левой оси ординат – величины давления жидкости от 2,0 до 32 МПа. Кривые слева вниз направо характеризует зависимость давления жидкости от площади (диаметра) плунжера и силы, действующей на плунжер. Величины силы отмечены на линиях слева вверх направо: 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 500, 2 000, 3 000, 4 000 и 5 000 Н. Эти кривые линии эквидистантны – расстояния по вертикали одинаковы для равных интервалов по величине силы.

Например, линия для 1 500 Н построена графически на одинаковых расстояниях по вертикали между линиями 1 000 и 2 000 Н.

Например, для d = 10 мм при S _н = 78,50 мм² и F _н = 1 000 Н расчетное значение давления жидкости Р₁ = F _н / S _н = 1 000/78,5 = 12,74 МПа; при F _н = 2 000 Н, давление РЖ Р₂ = 25,48 МПа.

Для d = 15 мм при S _н = 176,63 мм² и F _н = 1 000 Н расчетное значение давления жидкости Р₃ = F _н / S _н = 1 000/176,63 = 5,66 МПа; при F _н = 2 000 Н: Р₄ = 11,32 МПа.; при F _н = 4 000 Н: Р₅ = 22,65 МПа.

На рис. 3 по левой ординате из-за «сжатой» мелкой сетки графика можем получить: Р₁ ≈ 12,7 МПа; Р₂ ≈ 25,5 МПа; Р₃ ≈ 5,7 МПа;            Р₄ ≈ 11,3 МПа; Р₅ ≈ 22,7 МПа. Точка Р = F _н / S _н = 4 000/314 = 12,74 МПа для d = 20 мм расположена на правой ординате, а ее величина Р ≈ 12,7 МПа расположена на левой ординате, значения которой отличаются на порядок от величин правой ординаты.

Гидропередача является основой ГП (гидропривода).

 

Рис. 3. Зависимость площади плунжера от его диаметра, давления жидкости от площади и силы на плунжер

 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД

3.1 Основные понятия и определения

ГП (гидропривод) – это гидравлическая система - совокупность ГМ (гидромашин) с соответствующей регулирующей и распределительной гидроаппаратурой, вспомогательных устройств и гидролиний (трубопроводов), предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости на расстояние.

ОГП (объемный гидропривод) - это совокупность объемных ГМ, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости.

При помощи ГП можно передавать и преобразовывать энергию с одновременным выполнением функции регулирования и реверсирования скорости выходного звена, а также преобразовывать один вид движения в другой.

Любые сложные системы, раскладывают на подсистемы различного уровня. В ГП выделяют:

1. гидропередача; 

2. гидроаппаратура;

3. вспомогательные устройства.

1. Гидропередача (описана в предыдущем разделе). Добавились:

2. Гидроаппаратура – это устройства управления ГП, при помощи которых он регулируется, а также средства защиты его от чрезмерно высоких и низких давлений РЖ (рабочей жидкости). К гидроаппаратуре относятся дроссели, клапаны разного назначения и ГР (гидрораспределители ) – устройства для изменения направления потока жидкости.

3. Вспомогательными устройствами служат так называемые кондиционеры РЖ, обеспечивающие ее качество и состояние. Это 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 РЖ.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: