Гидропривод и пневмопривод

1.

ГИДРО- и ПНЕВМОПРИВОД

2.

ГИДРОПРИВОДЫ

3.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ
Проектирование объемного гидропривода заключается в выполнении следующих действий:
- выбора принципиальной схемы гидропривода;
- предварительного расчета с целью подбора его
элементов;
-уточненного расчета с целью определения потребляемой мощности, КПД, а также скоростей движения выходных элементов и нагрузок на них.

4.

В техническое задание на проектирование ГП обычно
входят:
- назначение привода
- описание условий его эксплуатации;
-основные технические требования, включающие
характер движения выходного звена, максимальное
значение преодолеваемой нагрузки, диапазон регулирования скорости, требования к ее стабильности;

5.

Данная информация является основой для выбора
принципиальной схемы гидропривода.
Кроме выбора схемы гидропривода, результатом
проведенного анализа, как правило, является выбор
типа гидромашин, а также номинального рабочего
давления рном.
Под номинальным давлением понимают наибольшее
давление, при котором устройство должно работать
в течение установленного срока службы с сохранением параметров в заданных пределах.

6.

Далее выбирают гидродвигатель из существующего в
каталоге типоразмерного ряда.
При этом максимальный рабочий перепад давления
на гидродвигателе Δргд на предварительной стадии
расчета принимают на 10...20 % меньше выбранного
значения рном, учитывая возможные потери давления
в гидросистеме.
При использовании в гидросистеме последовательного соединения нескольких гидродвигателей
необходимо следить, чтобы сумма перепадов
давления на них не превышала принятое значение
рном.

7.

Выбор гидромотора ведется по значению минимального расчетного рабочего объема q0гд, которое
определяется из формулы
q0гд=2πМ/( Δргдηгдм)
М и ηгдм - соответственно максимальный момент на
валу гидромотора и его механический КПД.
Из каталога выбирается гидромотор с ближайшим
большим рабочим объемом.

8.

Гидроцилиндр подбирается по необходимому перемещению штока и по эффективной площади поршня
S, расчетное значение которой определяют из
формулы
S=F/(Δргдηгдм)
где F и ηгдм— соответственно максимальная сила на
штоке гидроцилиндра и его механический КПД.
На основании полученного значения S из каталога
выбирается гидроцилиндр, у которого эффективная
площадь поршня не меньше расчетной.

9.

После выбора гидродвигателя проводится расчет
расхода Qгд рабочей жидкости, необходимого для
обеспечения требуемой скорости выходного элемента
гидропривода по формулам:
для гидромотора
Q = q0гдn/ ηо.
для гидроцилиндра
Q1 = ʋп Sп /ηо
Q2 = ʋп (Sп – Sш)/ηо.

10.

При этом в большинстве случаев считают, что
объемный КПД гидроцилиндра равен единице.
Далее определяется максимальная подача насоса
Qн mах с учетом наличия в гидросистеме других
(кроме гидродвигателя) потребителей жидкости.
Подача вместе с принятым давлением рном используется при выборе насоса.

11.

В большинстве случаев насос выбирается по
расчетному значению рабочего объема q0н, которое
определяется из формулы
q0н= Qн mах/ (nн ηо)
nн и ηо— соответственно частота вращения вала
и объемный КПД насоса.
Из каталога выбирается насос, имеющий ближайший
больший рабочий объем.

12.

После этого подбираются другие гидравлические
элементы, входящие в состав гидропривода.
Выбор осуществляется по значению максимального
расхода жидкости, проходящей через устройство, и
допустимому давлению.
Завершающим этапом предварительного расчета
является подбор трубопроводов, длины которых
определяются исходя из расположения гидравлических элементов гидропривода, а их внутренние
диаметры рассчитываются по расходу в соответствии с рекомендациями по величине средней
скорости

13.

Основы методики уточненного расчета ГП
В большинстве случае ГП представляет собой
сложный трубопровод с насосной подачей, поэтому
уточненный статический расчет рекомендуется
выполнять графоаналитическим методом.
Этот расчет следует делать для основных режимов
работы гидропривода с целью проверки выполнения
им технических требований, приведенных в техническом задании на проектирование.

14.

При этом рекомендуется такая последовательность
действий.
На первом этапе целесообразно заменить принципиальную схему гидропривода расчетной, в которой
отметить каждое гидравлическое сопротивление,
участвующее в расчете..
На этом же этапе полученную схему разбивают на
ряд простых трубопроводов
На втором этапе осуществляют построение характеристики насосной установки в координатах p - Q.

15.

На третьем этапе составляют аналитические
характеристики для каждого из простых трубопроводов, входящих в расчетную схему.
На четвертом этапе в соответствии с аналитическими зависимостями строят на графике характеристики для каждого простого трубопровода и затем
выполняют графическое сложение и строят суммарную характеристику сложного трубопровода.
Завершающим действием этого этапа является
нахождение рабочей точки, определяющей режим
работы гидропривода.

16.

На пятом этапе по графику определяют численные
значения величин, а затем вычисляют параметры,
характеризующие работу гидропривода.
После проведения уточненного расчета анализируют соответствие полученных результатов техническим требованиям к проектируемому гидроприводу.
В случае невыполнения требований вносят коррективы в гидравлическую схему или изменяют отдельные элементы гидропривода.

17.

В объемных ГП с постоянным давлением используют насосные установки двух типов: нерегулируемый
насос с переливным клапаном или регулируемый
насос с автоматом регулирования подачи.
Объемный насос с предохранительным клапаном
Предохранительный клапан срабатывает только в
аварийных ситуациях, а при нормальном режиме
работы закрыт.
Поэтому в расчете принимается
насосной установки Qну = Qн
Qкл = 0 и подача

18.

1
р
Qнт = q0нn
Такая подача при р=0
т.А
Qн = q0нn·ηон
При повышении давления пропорционально
ему растут утечки
Qн
Зная при давлении р величину ηон, определим Qн
Отмечаем точку на графике и проводим линию 1

19.

Это характеристика насоса, а нам нужна характеристика насосной установки, поэтому нужно построить
регуляторную часть характеристики, учитывая наличие предохранительного клапана
На этом же графике построим характеристику
клапана (линия 2), которая берется из паспорта
данного клапана или может быть построена с
использованием формул
р1 = ркл+ KклQ
ркл= 4Fпр/(πdс2 )+рсл
ркл- давление срабатывания клапана, Fпр- сила
предварительного поджатия пружины, dс- диаметр
седла клапана, рсл- давление в сливной линии.

20.

р1 = ркл+ KклQкл
р1
ркл min
Qкл

21.

Соединяем характеристики на одном графике
1
2
D
ркл min
C
Характеристика
насосной установки
Qну

22.

Регулируемый насос с регулятором подачи
В насосной установке с регулируемым насосом и
регулятором подачи обеспечивается равенство
Qну = Qн.
При построении характеристики такой насосной
установки на графике строят характеристику объемного насоса и затем по давлению срабатывания
регулятора pр на характеристике насоса (линия 1)
находят точку С.

23.

По максимальному давлению рmax отмечают точку D
и проводят линию, соединяющую точки С и D.
При построениях значения давлений рр и рmax берут
из паспортных данных регулятора подачи или
определяют расчетным путем из условия равновесия
поршня регулятора в крайних положениях.

24.

1
рmax D
рр
C
Qну

25.

Внешне характеристики насосной установки и с
регулятором подачи и с переливным клапаном
имеют один и тот же вид.
Но необходимо помнить, что при использовании
переливного клапана эффект снижения подачи
насосной установки достигается за счет слива
части подаваемой насосом жидкости в бак, а при
использовании регулятора подачи - за счет
уменьшения рабочего объема насоса, что более
экономично.

26.

Определение мощности, потребляемой ГП
Основой для определения мощности, потребляемой
гидроприводом (мощности на входе) Nвх, являются
координаты рабочей точки гидросистемы, полученной в результате графических построений.
Для насосной установки, состоящей из насоса и
предохранительного клапана, в условиях
нормальной работы насоса рабочая точка
гидросистемы будет лежать на характеристике
насоса (точка R).

27.

R-рабочая точка
1
R
В общем случае
Nвх= рн Qн/(ηо ηм),
рн
Qн
где ηо - объемный КПД насоса при давлении на
выходе насоса р = рн;

28.

ηм — механический КПД насоса.
Если учесть, что Qн = Qнтηо, то можно так
Nвх= рн Qнт / ηм.

29.

Для R на участке АС:
Nвх= рн Qнт/ηм.
Для R на участке СD надо помнить, что
D
Q'н= Q'ну+Qкл
R'
р'н
C
Qкл
Q'ну
R
рн
Q'ну
Q'н
Qн
Nвх= рн Qнт/ηм.

30.

Для установки с регулируемым насосом и регулятором подачи, рабочая точка системы также может
располагаться или на участке АС или на участке CD
Если рабочая точка лежит на участке АС (точка R), то
аналогично
Nвх= рнQнт max/ηм

31.

32.

Если же рабочая точка (точка R') лежит на участке CD,
то в этом диапазоне давлений регулятор подачи
изменяет рабочий объем насоса
Значит изменяется и теоретическая подача насоса и
его характеристика.

33.

Новое значение теоретической
подачи Q' получим, если через
точку R' проведем линию R'M
параллельно АС.
Nвх= р'н Q'нт/ ηнм.

34.

Расчет трубопровода, содержащего гидродвигатель
В состав любого ГП входит гидродвигатель – устройство, преобразующее энергию потока рабочей жидкости в механическую работу.
При гидравлическом расчете двигатель можно рассматривать как местное гидравлическое сопротивление, в котором потери давления Δргд идут на совершение полезной работы — перемещение выходного
звена, преодолевающего внешнюю нагрузку.

35.

И тогда уравнение характеристики простого трубопровода, содержащего гидродвигатель, можно
представить в виде
ΔрΣ = Δpл + Δрм + Δpгд
Δpл + Δрм – сумма потерь давления на трение по
длине в трубопроводе Δpл и в местных
сопротивлениях Δрм
Определение Δpгд, зависит от типа гидродвигателя.

36.

Для гидромотора при известном моменте М на его
валу и рабочем объеме q0гд перепад давления Δpгд
может быть получен из формулы:
Δpгд=2πМ/(q0гдηгдм).
При этом частота вращения его вала nгд, может быть
получена из формулы
nгд =Qгдηо/q0гд,

37.

Для гидроцилиндра при известной силе F на штоке и
эффективной площади поршня S перепад давления
Δргд может быть получен из формулы:
Δpгд= F/(Sηм).
Скорость движения поршня (штока) - из формулы:
ʋп=Qгд/S.
При этом у гидроцилиндров с односторонним штоком
из-за неравенства эффективных площадей поршня в
поршневой и штоковой полости расходы жидкости на
входе в гидроцилиндр Q1 и на выходе из него Q2
разные. При расчете это учитывается с помощью
зависимости:
Q2 = Q1 (Sп – Sш )/ Sп.

38.

В гидроцилиндрах с двухсторонним штоком, когда
эффективные площади с обеих сторон поршня
равны, расходы на входе Q1 и выходе Q2 одинаковы.
Перепад давления Δpгд в гидродвигателе определяется в основном внешней нагрузкой на его выходном
звене и конструктивными параметрами двигателя.
Поэтому в общем случае уравнение характеристики
простого трубопровода, содержащего гидродвигатель,
может быть выражено
ΔpΣ = Δpгд + А1Q + А2Q2,
где А1 и А2 – коэффициенты гидравлических сопротивлений трубопроводов.

39.

Задача
Насос 1 с переливным клапаном 7 образуют насосную установку, которая подает жидкость из бака 6 в
гидроцилиндр 4, обеспечивающий движение исполнительного механизма.
Скорость движения поршня гидроцилиндра ʋп
регулируется за счет изменения проходного сечения
регулируемого гидродросселя 2.
Реверс движения обеспечивается переключением
гидрораспределителя 3. Для очистки рабочей жидкости в систему включен фильтр 5.
Определить: скорость движения штока цилиндра,
мощность потребляемую гидроприводом;
коэффициент полезного действия гидропривода.

40.

ʋп
ʋп
1 - насос; 2 - дроссель; 3 - гидрораспределитель; 4 – гидроцилиндр; 5 -- фильтр; 6 - бак; 7 - переливной клапан

41.

Исходные данные
F = 8 кН
lэкв ф= 2,0 м р= МПа
D = 50 мм lэкв р= 1,5
ηнм= 0,9
dш = 30 мм Sдр= 5 мм2
ркл min= 5 МПа
Kкл=0,004
l1 = 3 м
μдр= 0,7
МПа·с/см2
l2 = 1,5 м
q0н= 10см3 ρ =800кг/м3
nн=1460
l3 = 4 м
ν = 0,2 см2/с
об/мин
dт = 10 мм ηно= 0,85

42.

Решение.
1. Принципиальная схема гидропривода заменяется
эквивалентной
2. Строим характеристики насоса и переливного
клапана. Так как они линейны, находим по две точки
для построения

43.

Характеристика насоса:
т. А : р = 0; Qтн = q0нnн= 1·10-6·1460/60 = 243·10-6м3/с;
т. В: р = 7 МПа, Q'=Qтнηон=243·10-6·0,85= 207·10-6 м3/с.
Характеристика клапана
т. Е при Qкл = 0, ркл = ркл min = 5 МПа;
т. К при Qкл = 200 см3/с, ркл = ркл min + KклQкл=
=5+200·0,004= 5,8 МПа.

44.

45.

3. Составление уравнения характеристики
трубопровода.
На основании эквивалентной схемы уравнение
характеристики трубопровода в данном случае
можно представить в виде
ΔрΣ=Δртр1+Δрдр+Δрр+Δртр2+Δрц+Δр'р2+Δр'р+Δр'тр3+Δр'ф.
Штрих у потерь указывает на то, что потери давления в этих гидравлических сопротивлениях следует
определять по расходу рабочей жидкости на выходе
из гидроцилиндра

46.

Вычисляем число Рейнольдса по максимально
возможному расходу:
Re 4Q /( d т ) 4 243 /( 3,14 1 0,2 ) 1547
Re = 1547 < Reкр
ΔрΣ=Δртр1+Δрдр+Δрр+Δртр2+Δрц+Δр'р2+Δр'р+Δр'тр3+Δр'ф.
4F
D d
2
p
(
K
K
)
Q
K
Q
1
2
3
D 2
D2
2
2
Механический КПД ηгдм гидроцилиндра по условию
задачи не задан, поэтому принимаем ηгдм = 1.

47.

К пояснению коэффициентов
Потери на трение по длине трубопровода
l υ 2
p
dт 2
Режим ламинарный: λ=64/Re
64 l υ 2 64 l υ 2 32 l υ 32 l 4Q 128
p
2 2
lQ
2
4
Re d т 2
υd т d т 2
dт
d т d т
d т
128
K1
l
4
d т
p K1Q

48.

В коэффициенте К2 своя длина гидролиний, а
также появляется множитель, позволяющий
учесть величину расхода из штоковой полости
гидроцилиндра.
Коэффициент К3 позволяет определить перепад
давления из формулы его расхода
2
2
рдр 2 2 Qдр К 3 Qдр
2 др S др

49.

K1
128 (l1 l2 lэкв р )
d
4
т
;
K2
128 (l2 l3 lэкв р lэкв ф )
d
4
т
;
K3 2 2
2 др S др
128 0,2(3,0 1,5 1,5) 800
6
4
K1
390
10
кг
/
(м
с)
4
3,14 1
128 0,2 10 4 (1,5 4 1,5 4) 800
6
4
K2
586
10
кг/(м
с)
4
3,14 0,01
800
12
7
K3
32
,
7
10
кг/м
2 0,7 2 25 10 12

50.

4. Построение характеристики трубопровода и
определение рабочей точки гидросистемы.
Q, м3/с
0
ΔрΣ МПа 4,07
50·10-6 100·10-6 150·10-6
4,13
4,41
4,86
200·10-6
5,47

51.

52.

Точка пересечения линии 3 с СD дает рабочую
точку гидросистемы (точка R).
Ее координаты Qну = 180 см3/с и рн = 5,2 МПа.
Так как вся подача насосной установки Qнy поступает
в гидроцилиндр, то скорость движения его штока
определяется по формуле
ʋп= 4Q/(πD2)=4·180/(3,14·52)= 9,17 см/с.
объемный КПД гидроцилиндра принимаем ηгдо = 1)

53.

Мощность, потребляемая гидроприводом, равна
мощности, потребляемой насосной установкой,
Nвх= рнQнт/ηнм
Nвх= 5,2·106·243·10-6/0,9=1404 Вт
Для определения КПД гидропривода определим
мощность, развиваемую на его выходном звене:
Nвых = F·ʋп = 8000·0,0917=734 Вт.
тогда
ηгп = Nвых /Nвх = 734/1404=0,52.