РАСЧЕТ МАГИСТРАЛЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

I.Цель работы

Выполнение курсовой работы и типовых расчётов – заключительный этап изучения студентами общетехнической дисциплины «Механика жидкости и газа» и др. Целью работы является закрепление полученных студентами теоретических знаний, а также освоение ими методики расчета и проектирования магистралей гидравлических и пневматических приводов машин и механизмов.

Для успешного выполнения работы студент должен:

· обладать необходимым объемом теоретических знаний;

· уметь анализировать расчеты с целью обоснования принимаемых проектных решений;

· выполнять требования, предъявляемые к оформлению технической документации;

· уметь пользоваться технической литературой, справочниками, ГОСТами и другими нормативными материалами.

II.Состав и содержание задания на выполнение работы:

Задание содержит тему работы, исходные данные, включающие:

· структурную схему гидравлического или пневматического привода с необходимыми пояснениями его функционирования;

· координаты элементов гидропривода;

· параметры (давление, подача) энергетического источника и потребителей;

· данные о местных гидравлических сопротивлениях и магистралях;

· описание температурных и других условий функционирования привода.

III.Этапы выполнения работы:

Изучение и анализ исходных данных, представленных в задании. Буквенные позиционные обозначения основных элементов гидропривода приведены ниже.

Подбор литературы, необходимой для выполнения работы, см. список рекомендованной литературы;

Гидравлический расчет и выбор элементов, магистралей привода, см.Приложение А;

· определение внутренних диаметров и толщин стенок трубопроводов на отдельных участках магистралей и выбор размеров труб по соответствующим ГОСТам;

· расчет линейных гидравлических сопротивлений;

· расчет местных гидравлических сопротивлений;

· определение коэффициентов гидравлических сопротивлений дросселирующих элементов, обеспечивающих распределение энергетических потоков привода, и вычисление потерь давления на этих дросселирующих элементах;

· определение потребного рабочего давления;

· построение характеристики трубопровода;

· построение пьезометрической и напорной линий энергии.

IV.Структура, порядок изложения и оформления работы:

· титульный лист;

· задание на выполнение работы, подписанное руководителем и студентом;

· структурная схему привода, ее описание и необходимые к ней пояснения;

· расчетная часть в соответствии с приведёнными ниже методическими указаниями, см. Приложение Б;

· перечень линейных участков магистралей с указанием их геометрических размеров (длин, внутренних диаметров, толщин стенок);

· перечень местных гидравлических сопротивлений (включая аппараты) с указанием их коэффициентов сопротивлений;

· графики характеристик трубопровода;

· линия энергии Н – Н и пьезометрическая линия р - р для заданного участка трубопровода.

Работа оформляется на листах формата А4 и брошюруется в обложку из плотной бумаги. На лицевой стороне обложки оформляется титульный лист в соответствии с СТП1-2001.

Приложение А

Буквенные позиционные обозначения основных

элементов гидропривода по ГОСТ 2. 704 – 95

Устройство (общее обозначение)	А
Гидроаккумулятор (пневмоаккумулятор)	АК
Аппарат теплообмена	АТ
Гидробак	Б
Влагоотделитель	ВД
Вентиль	ВН
Гидровытеснитель	ВТ
Пневмоглушитель	Г
Гидродвигатель (пневмодвигатель) поворотный	Д
Делитель потока	ДП
Гидродроссель (пневмодроссель)	ДР
Гидрозамок (пневмозамок)	ЗМ
Гидроклапан (пневмоклапан)	К
Гидроклапан выдержки времени	КВ
Гидроклапан давления	КД
Годроклапан обратный	КО
Годроклапан предохранительный	КП
Годроклапан редукционный	КР
Компрессор	КМ
Годромотор (пневмотор)	М
Манометр	МН
Годродинамическая передача	МП
Маслораспылитель	МР
Масленка	МС
Годродинамическая муфта	МФ
Насос	Н
Насос аксиально-поршневой	НА
Насос-мотор	НМ
Насос пластинчатый	НП
Насос радиально-поршневой	НР
Пневмогидропреобразователь	ПГ
Гидропреобразователь	ПР
Гидрораспределитель	Р
Реле давления	РД
Гидроаппарат (пневмоаппарат) золотниковый	РЗ
Гидроаппарат (пневмоаппарат) клапанный	РК
Регулятор потока	РП
Ресивер	РС
Сепаратор	С
Сумматор потока	СП
Термометр	Т
Гидродинамический трансформатор	ТР
Устройство спускное	УВ
Гидроусилитель	УС
Фильтр	Ф
Гидроцилиндр (пневмоцилиндр)	Ц

Приложение Б

Методические указания по гидравлическому расчету

и выбору элементов магистралей привода

Задача расчета состоит в определении диаметров гидролиний и потерь, возникающих в них при движении жидкости. Расчет производится по участкам, на которые разбивают гидравлическую (пневматическую) систему, при этом под участком понимается часть трубопровода между разветвлениями, пропускающая одинаковый расход и имеющая одинаковый внутренний диаметр. Участок может включать линейные сопротивления (участки трубы) и различные местные сопротивления (повороты, сужения, расширения, гидроаппараты и т.п.).

1.Расчет диаметров гидролиний

Внутренний диаметр гидролиний определяется:

,(1)

где Q – расход жидкости на рассматриваемом участке трубопровода;

Vmax – допустимая средняя скорость жидкости.

Значения допустимых средних скоростей выбираются по табл. 1.

Таблица 1

Значения допустимых средних скоростей течения

жидкости в гидролиниях

Назначение гидролинии	Vmax, м/с не более
Всасывающая	1,2
Сливная	2
Нагнетательная при давлениях, МПа
до 2,5	3
до 5,0	4
до10,0	5
свыше 15,0	8 - 10

С учетом величины давления жидкости в трубопроводе по полученным значениям d выбираем трубы в соответствии с ГОСТ по наружному диаметру и толщине стенки. Рекомендуемые толщины стенок труб для всасывающих и сливных магистралей – 1,0 мм, напорных – 1,0÷3,0 мм.

По принятым диаметрам определяются истинные скорости на участках гидролиний:

Значения расходов, диаметров и скоростей, являющихся исходными данными для расчета гидравлических потерь, вносятся в табл.2.

Таблица 2

Исходные данные для расчета гидравлических потерь

Номер

участка

Назна-

чение

Скорость, м/с

Расход

Q,л/мин

Диаметр d,мм

Длина участка

l,м

допустимая

Vmax

Расчетная

расчет-ный

принят.

по стандарту

…

Толщина стенки нагнетательной гидролинии проверяется выражением:

,(2)

где - давление на данном участке трубы, принять:

,, или

d - стандартное значение диаметра гидролиний (см.табл.2);

[] - допускаемые напряжения на разрыв материала гидролиний. Принять с учетом коэффициента запаса,
для стальных труб [] = 50 МПа, для труб из цветных металлов [] = 25 МПа.

Если расчетное значение толщины меньше выбранного, то трубопровод выбран правильно.

2. Расчет гидравлических потерь в гидролиниях

Гидравлические потери в гидролиниях складываются из суммы потерь в линейных сопротивлениях (на прямых участках гидролиний) и потерь в местных сопротивлениях .

2.1.Потери давления в линейном сопротивлении:

,(3)

где - удельный вес рабочей жидкости;

- коэффициент гидравлического сопротивления;

d и l - диаметр и длина участка гидролинии;

V - средняя скорость жидкости на участке гидролинии.

Для вычисления коэффициента гидравлического сопротивления необходимо определить режим движения жидкости по числу Рейнольдса

, (4)

где - коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости.

Если , то режим движения рабочей жидкости на данном участке гидролинии- ламинарный и

. (5)

Если , то режим движения рабочей жидкости на данном участке турбулентный и для гидравлически гладких труб определяется по формуле Блазиуса

.(6)

Критическое значение числа Рейнольдса принять 2320. Результаты расчета сводятся в табл.3.

Таблица 3

Расчет потерь в линейных сопротивлениях

Номер участка

l , м

d , мм

Q , л/мин

V , м/с

, МПа

…

2.2.Потери давления в местном сопротивлении:

,(7)

где - коэффициент данного местного сопротивления ( см. Приложение В ).

Результаты расчета сводятся в табл.4.

Таблица 4

Расчет потерь в местных сопротивлениях

Номер участка

Вид сопротивления

Кол-во

Коэфф. местн.сопротивл.

, МПа

…

2.3.Далее определяются общие потери давления в гидроприводе. Если участки соединены последовательно, то общая потеря давления в гидроприводе представляет собой сумму потерь давления в линейных и местных сопротивлениях на всех участках:

.(8)

Потери во всех гидролиниях, соединенных параллельно, рассчитываются раздельно для каждой из них и при определении рабочего давления насоса учитываются наибольшие из этих потерь. Например, при расчете потерь в гидросистеме, изображенной на рис.1, суммарные потери в гидролиниях гидроцилиндра (участки 2-3-4-7) равны:

,(9)

где потеря давления в распределителе соответствует местным сопротивлениям с индексами м3 и м4

- потеря давления в фильтре ( см. Приложение ).

Цифровые индексы соответствуют номерам участков.

Рис.1. К расчету суммарных гидравлических потерь давления в гидросистеме:

1-7 – номера расчетных участков трубопроводов

Аналогично определяются суммарные потери в гидролиниях гидромотора М (участки 2-5-6-7).

2.4.Далее определяется давление насоса, необходимое для обеспечения функционирования гидроцилиндра и гидромотора, при условии их независимой работы.

2.5.Поскольку гидроцилиндр и гидромотор должны работать вместе, для этого необходимо повысить давление в менее нагруженной ветви до большего , установив в 4 или 6 магистрали дроссель ДР.

Потери давления на дросселе определим из выражения:

,если

, если

По полученному давление и расходу на участке установки дросселя, полагая , что дроссель представляет собой отверстие круглого поперечного сечения, определяем его диаметр.

3. Построение характеристики трубопровода

Характеристикой трубопровода называется график зависимости суммарной потери напора (давления) в трубопроводе от расхода, т.е. или . При ламинарном режиме течения характеристику трубопровода без местных сопротивлений обычно считают линейной и строят в виде прямой по двум точкам (см. рис.2,а). Если в трубопроводе имеются местные сопротивления (например, вентиль или другие гидроаппараты со значительным сопротивлением), то линейность характеристики нарушается. При турбулентном режиме характеристика трубопровода нелинейна (см. рис. 2,б). Для этого задаются 5-6 значениями расхода и для них определяют или .

Рис.2. Характеристики трубопроводов

Крутизна характеристики определяется диаметром и длиной трубопровода, местными гидравлическими сопротивлениями и вязкостью жидкости (наибольшее влияние вязкость оказывает при ламинарном режиме).

Суммарную потерю напора в общем случае удобно выразить формулой:

,(10)

где А – коэффициент пропорциональности, учитывающий сопротивление трубопровода.

4. Построение пьезометрической и напорной линий энергии

Для двух сечений потока, соответствующих началу и концу трубопровода, уравнение Бернулли имеет вид:

₍₁₁₎

_{Сумма трех членов:}

(12)

есть полный напор H , т.е. полный запас удельной энергии жидкости в данном сечении потока, равный сумме удельных энергий потока – потенциальных энергий положения - z , давления – p/ и кинетической энергии - .

С учетом соотношения (12) уравнение Бернулли (11) можно записать в виде:

,(13)

где - суммарные потери напора по длине потока hl и в местных сопротивлениях – hм, т.е. удельная механическая энергия, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению жидкости между рассматриваемыми сечениями потока.

Статический напор Hp отличается от полного напора на величину скоростного напора и равен:

,(14)

напорная линия H-H строится по значениям полных напоров в начале и в конце каждого участка трубопровода. Полный напор в сечении 1-1 равен напору насоса Н1.

Полный напор в конце участка трубопровода находится из выражения (13):

для участка 1: -,

для участка 2: - и т.д. (15)

для участка n: -.

Так как общий запас удельной энергии вдоль потока непрерывно уменьшается, линия всегда нисходяшая, а в местах установки гидравлических аппаратов (Р, ДР, КР и др.) она имеет скачок.

Линия статического напора р-р расположена ниже линии полного напора на величину скоростного напора

Рис. 3. Пример построения линий энергии

Результаты расчетов потерь удельной энергии, полного скоростного и статического напоров, по которым строятся линии удельных энергий, заносятся в табл.5.

Таблица 5

Расчет удельных энергий

Номер участка

Полный напор в начале участка Hi(i=1,2…n), м

Потери напора, м

Высота скоростного напора , м

Статический напор Hpi , м

……

5.Расчёт инерционного напора

Для неустановившегося движения несжимаемой жидкости в жёстких трубах уравнение Д. Бернулли имеет вид:

,(16)

где инерционный напор;

локальное ускорение;

g - ускорение свободного падения;

l - длина участка трубопровода постоянного диаметра.

Если трубопровод состоит из нескольких участков с сечением разных диаметров d_i и разных длин l_i, то инерционный напор для всего трубопровода:

,(17)

где i - номер участка трубопровода постоянного диаметра d_i ;

- ускорение движения жидкости на i-ом участке трубопровода, задаётся преподавателем.

Знак инерционного напора соответствует знаку ускорения. При положительном ускорении (разгон потока) полный напор вдоль потока падает. При отрицательном ускорении (торможение потока) полный напор вдоль потока увеличивается.

6.Расчет повышения давления при гидроударе

В рассматриваемой гидросистеме, см. рис.1, гидроудар возникает при срабатывании гидрораспределителей Р1 и Р2 . Гидроударом называется резкое повышение давления, вызванное торможением или разгоном потока жидкости. Теория гидроудара, разработанная Н.Е. Жуковским, рассматривает модель сжимаемой жидкости с распределёнными параметрами.

Повышение давления при гидроударе, возникающее при закрывании распределителей Р1 и Р2 определяется зависимостями:

, когда ; (18)