Расчет характеристик сети по операциям цикла

2.1 Расчет характеристик гидропривода в период ускоренного подвода инструмента к заготовке.

Преобразуем принципиальную гидравлическую схему гидропривода, приведенную на рисунке 1, к расчетной. При этом, условно разобьем общую гидросхему на два участка простых трубопроводов, соединенных между собой последовательно : первый - от выхода из насоса 1 через гидравлические линии и гидрораспределитель 2 до входа в гидроцилиндр 3; второй - от выхода из гидроцилиндра 3 через гидравлические линии и золотник ускоренных ходов 4, дроссель 7, золотниковый гидрораспределитель 2 до слива в масляный бак. Активную нагрузку на шток гидроцилиндра 3 при установившемся режиме течения рабочей жидкости будем учитывать как потери давления на местном сопротивлении

, ( 2.1.1 )

что в соответствии с заданием дает МПа.

Энергию, которую необходимо сообщить единице веса рабочей жидкости для ее перемещения в гидросистеме при заданном расходе, находят по уравнению :

, ( 2.1.2 )

где - статический напор, величина которого для заданных внешней нагрузки и рабочей жидкости равна м; - суммарные потери напора в гидросистеме, величина которых зависит от режима течения, определяемого по критерию Рейнольдса :

. (2.1.3 )

Смена режимов течения жидкости происходит при критическом значении числа Рейнольдса, равном , с учетом которого величина критического расхода жидкости в трубопроводе определится из уравнения (2.1.3) в виде:

. ( 2.1.4 )

Подставляя численные значения, приведенные в задании, в уравнение (2.1.4), находим для расхода, определяемого подачей насоса, величину:

.

При расходе жидкости в гидросистеме режим движения будет ламинарным и суммарные гидропотери будут определяться уравнением:

, ( 2.1.5 )

где - суммарная длина трубопроводов гидросистемы; -эквивалентная длина трубопроводов. Поскольку при ламинарном режиме течения характеристика трубопровода в соответствии с уравнением (2.1.5) носит линейный характер, то для ее построения достаточно всего двух точек. При Q = 0 = 0. При Q =

, (2.1.6 )

где - эквивалентная длина трубопроводов; - суммарная величина коэффициентов местных сопротивлений в гидролинии.

Подставляя заданные численные значения указанных величин для первого участка простого трубопровода в уравнение (2.1.6), находим :

(м).

Учитывая, что максимальный расход жидкости на первом участке простого трубопровода не может превышать максимальной подачи насоса , приходим к выводу, что режим движения жидкости в этом трубопроводе всегда ламинарный.

По расчетным точкам и в соответствии с уравнением (2.1.2) в координатах строим характеристику первого участка простого трубопровода, которая приведена на рисунке 2.

Для второго участка простого трубопровода расход жидкости в гидросистеме может быть определен исходя из уравнения расходов в рабочих полостях гидроцилиндра 3, т.е.

, (2.1.7 )

откуда величина критического расхода насоса для смены режимов на втором участке простого трубопровода определится из уравнения :

. ( 2.1.8 )

Подставляя заданные численные значения указанных величин для второго участка простого трубопровода в уравнение (2.1.8), находим :

.

При Q = 0 = 0. При

37,3(м).

При расходе жидкости в гидросистеме режим течения жидкости становится турбулентным и суммарные гидропотери в этом случае определяют по уравнению :

, ( 2.1.9 )

где - коэффициент гидравлического трения (Дарси), величина которого зависит как от относительной шероховатости трубопровода, так и от числа Рейнольдса. При числах коэффициент Дарси определяют для гидравлически гладких труб по формуле Блазиуса:

. ( 2.1.10 )

Для построения характеристики участка простого трубопровода при турбулентном режиме движения жидкости необходимо иметь, как минимум, еще одну дополнительную точку, координаты которой могут быть определены следующим образом:

, ( 2.1.11 )

Используя формулы (2.1.9), (2.1.10) и (2.1.11), по исходным данным определим расчетные точки, необходимые для построения характеристики второго участка простого трубопровода. При по формуле (2.1.7) ;

;

(м).

Промежуточную точку найдем в соответствии с уравнением (2.1.11).

;

;

(м).

По расчетным точкам и в соответствии с уравнением (2.1.2) в координатах строим характеристику второго участка простого трубопровода, учитывая позиционную нагрузку от силового гидроцилиндра 3, выражаемую величиной статического напора . Эта характеристика также приведена на рисунке 2. Поскольку участки простых трубопроводов на гидросхеме соединены последовательно, то суммарная характеристика сети может быть получена методом графического суммирования характеристик простых трубопроводов при одинаковых расходах. Суммарная характеристика сети также представлена на рисунке 2. При установившемся режиме работы, когда расход в гидросистеме не меняется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору гидросети. Нанося на суммарную характеристику сети в одинаковом масштабе характеристику насоса , получим точку пересечения этих характеристик, называемую рабочей точкой, которая определяет условия совместной работы насоса и гидросети при заданной позиционной нагрузке (см. рисунок 2). Параметры рабочей точки, характеризующие напор и подачу жидкости на выходе из насоса, для заданных условий функционирования гидросистемы в период ускоренного подвода инструмента к обрабатываемой заготовке определяются из графика (см. рисунок 2) и составляют :

; .

2.2 Расчет характеристик гидропривода в период рабочего хода

При определении характеристик гидропривода в период рабочего хода преобразуем принципиальную гидравлическую схему гидропривода, приведенную на рисунке 1, к расчетной. При этом, условно разобьем общую гидросхему на два участка простых трубопроводов, соединенных между собой последовательно : первый - от выхода из насоса 1 через гидравлические линии и гидрораспределитель 2 до входа в гидроцилиндр 3; второй - от выхода из гидроцилиндра 3 через гидравлические линии и регулятор потока 5, дроссель 7, золотниковый гидрораспределитель 2 до слива в масляный бак. Активную нагрузку на шток гидроцилиндра 3 при установившемся режиме течения рабочей жидкости будем учитывать как потери давления на местном сопротивлении по формуле (2.1.1), что в соответствии с заданием дает :

МПа.

Статический напор для заданных внешней нагрузки и рабочей жидкости определим по уравнению (2.1.2): м.

Поскольку первый участок простого трубопровода расчетной гидросхемы периода рабочего хода инструмента совпадает с первым участком расчетной гидросхемы периода ускоренного подвода инструмента к обрабатываемой заготовке, то и их характеристики также будут совпадать, т.е.

при Q = 0 =0; при = (м); при (м); при .

По расчетным точкам и в соответствии с уравнением (2.1.2) в координатах строим характеристику первого участка простого трубопровода, в период рабочего хода, которая приведена на рисунке 3.

Для второго участка простого трубопровода, функционирующего в период рабочего хода, критический расход жидкости в гидросистеме также будет равен . При

(м).

При

(м).

При Q = 0 = 0.

При

(м).

По расчетным точкам и в соответствии с уравнением (2.1.2) в координатах строим характеристику второго участка простого трубопровода, учитывая позиционную нагрузку от силового гидроцилиндра 3, выражаемую величиной статического напора . Эта характеристика также приведена на рисунке 3. Поскольку участки простых трубопроводов на гидросхеме соединены последовательно, то суммарная характеристика сети может быть получена методом графического суммирования характеристик простых трубопроводов при одинаковых расходах. Суммарная характеристика сети также представлена на рисунке 3. При установившемся режиме работы, когда расход в гидросистеме не меняется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору гидросети. Нанося на суммарную характеристику сети в одинаковом масштабе характеристику насоса , получим точку пересечения этих характеристик, называемую рабочей точкой, которая определяет условия совместной работы насоса и гидросети при заданной позиционной нагрузке (см. рисунок 3). Параметры рабочей точки, характеризующие напор и подачу жидкости на выходе из насоса, для заданных условий функционирования гидросистемы в период ускоренного подвода инструмента к обрабатываемой заготовке определяются из графика (см. рисунок 3) и составляют :

.

2.3 Расчет характеристик гидропривода в период возврата инструмента в исходное положение

Преобразуем принципиальную гидравлическую схему гидропривода, приведенную на рисунке 1, к расчетной. При этом, условно разобьем общую гидросхему на два участка простых трубопроводов, соединенных между собой последовательно : первый - от выхода из насоса 1 через гидравлические линии, гидрораспределитель 2, дроссель 7 и обратный клапан 6 до входа в гидроцилиндр 3; второй - от выхода из гидроцилиндра 3 через гидравлические линии и золотниковый гидрораспределитель 2 до слива в масляный бак. Активную нагрузку на шток гидроцилиндра 3 при установившемся режиме течения рабочей жидкости будем учитывать как потери давления на местном сопротивлении

, ( 2.3.1 )

что в соответствии с заданием дает МПа, откуда

м.

Для первого участка простого трубопровода подставим численные значения, приведенные в задании, в уравнение (2.1.4) и получим:

.

При подаче насоса режим движения жидкости будет ламинарным и характеристика первого участка простого трубопровода в соответствии с уравнением (2.1.5) будет линейной. Для ее построения достаточно всего двух точек. При Q = 0 = 0. При Q = по формуле (2.1.6) получим:

(м).

Учитывая, что максимальный расход жидкости на первом участке простого трубопровода не может превышать максимальной подачи насоса , приходим к выводу, что режим движения жидкости в этом случае всегда будет ламинарным.

По расчетным точкам и в соответствии с уравнением (2.1.2) в координатах строим характеристику первого участка простого трубопровода, которая приведена на рисунке 4.

Для второго участка простого трубопровода расход жидкости в гидросистеме может быть определен исходя из уравнения расходов в рабочих полостях гидроцилиндра 3, т.е.

, ( 2.3.2 )

откуда величина критического расхода насоса для смены режимов на втором участке простого трубопровода определится из уравнения :

. ( 2.3.3 )

Подставляя заданные численные значения указанных величин для второго участка простого трубопровода в уравнение (2.3.3), находим :

, то есть, режим движения жидкости во всем диапазоне режимов работы насоса будет ламинарным, а характеристика простого трубопровода на втором участке - линейной. При Q = 0 = 0. При

(м).

По расчетным точкам и в соответствии с уравнением (2.1.2) в координатах строим характеристику второго участка простого трубопровода, учитывая позиционную нагрузку от силового гидроцилиндра 3, выражаемую величиной статического напора . Эта характеристика также приведена на рисунке 4. Поскольку участки простых трубопроводов на гидросхеме соединены последовательно, то суммарная характеристика сети может быть получена методом графического суммирования характеристик простых трубопроводов при одинаковых расходах. Суммарная характеристика сети также представлена на рисунке 4. При установившемся режиме работы, когда расход в гидросистеме не меняется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору гидросети. Нанося на суммарную характеристику сети в одинаковом масштабе характеристику насоса , получим точку пересечения этих характеристик, называемую рабочей точкой, которая определяет условия совместной работы насоса и гидросети при заданной позиционной нагрузке (см. рисунок 4). Параметры рабочей точки, характеризующие напор и подачу жидкости на выходе из насоса, для заданных условий функционирования гидросистемы в период ускоренного подвода инструмента к обрабатываемой заготовке определяются из графика (см. рисунок 4) и составляют :

.

2.4 Построение операционных циклограмм

Для анализа условий работы гидропривода по операциям цикла и загрузки насоса по мощности построим операционные циклограммы для насоса Н = f(t), Q = f(t) и H = f(Q). При этом продолжительность операции ускоренного подвода инструмента к обрабатываемой заготовке может быть определена по выражению:

. (2.4.1)

Продолжительность операции рабочего хода составит:

. ( 2.4.2 )

Продолжительность операции возврата инструмента в исходное положение определим по уравнению:

. ( 2.4.3 )

Подставив численные значения параметров, приведенных в задании на курсовую работу, в формулы (2.4.1), (2.4.2) и (2.4.3), получим продолжительности операций цикла, которые сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Параметры операций цикла работы гидропривода

Операции	Н, м	Q,	t, с
Ускоренный подвод		0,274	0,545
Рабочий ход		0,064	0,123
Возврат инструмента		0,282	1,002

Используя расчетные параметры из таблицы 2, построим операционные циклограммы Н = f(t), Q = f(t) и H = f(Q), которые представлены на рисунке 5. При этом площади фигур, ограниченные отрезками прямых Н = f(Q), характеризуют мощность, затраченную насосом на функционирование гидросистемы по операциям цикла. Подсчитаем величины этих мощностей.

3 Расчет мощностей и К.П.Д. гидросистемы по операциям цикла

Мощность, затрачиваемая насосом для выполнения операций цикла, определяется выражением:

. ( 3.1 )

Полезная мощность, развиваемая гидроприводом по операциям цикла, может определяться из уравнения:

, ( 3.2 )

где S - площадь шток-поршня со стороны силовой камеры гидроцилиндра.

Соотношения полезной и затрачиваемой гидроприводом по операциям цикла мощностей характеризуют КПД гидросистемы в соответствии с уравнением:

( 3.3 )

Подставив численные значения параметров в уравнения (3.1), (3.2), (3.3) и вычислив значения по операциям цикла, сведем их в таблицу 3.

Таблица 3 - Значение мощностей и КПД по операциям цикла гидросистемы

Операции	, кВт	, кВт
Ускоренный подвод	0,035	0,411	0,09
Рабочий ход	0,204	0,239	0,85
Возврат инструмента	0,020	0,291	0,07

4 Тепловой расчет гидросистемы

Разность между затрачиваемой и полезной мощностями в процессе функционирования гидросистемы переходит в теплоту, акумулируемую рабочей жидкостью. Чтобы рассеять выделяющуюся теплоту и обеспечить нагрев рабочей жидкости относительно окружающей среды не свыше допустимой величины, нужно иметь достаточные размеры гидробака для естественного теплообмена или вводить в гидросистему устройства для принудительного охлаждения рабочей жидкости. Базой для принятия подобных решений и служит тепловой расчет гидросистемы, позволяющий определить среднее количество теплоты, выделяемой в системе в единицу времени.

Объем V масла в гидробаке с естественным теплообменом, который необходим для рассеяния теплоты в единицу времени при условии, что температура рабочей жидкости будет не более, чем на превышать температуру окружающего пространства, можно приближенно определить по формуле:

, ( 4.1 )

где V - в л; - в кВт; - в . По техническим требованиям к станкам допустимая температура рабочей жидкости в гидросистеме не должна превышать 55 .

Среднее количество теплоты, выделяемой в системе в единицу времени, определяют по уравнению:

( 4.2 )

Подставляя численные значения в уравнения (4.1) и (4.2), получаем:

;

.

Заключение

Проведенные расчеты объемного гидропривода с дроссельным регулированием показали, что при его эксплуатации в заданном режиме скорость перемещения силовой головки в период рабочего хода чрезмерно высока. Для обеспечения нормальных условий функционирования силовой головки в период рабочего хода целесообразно осуществить дополнительное дросселирование регулятором потока за счет увеличения его коэффициента местных сопротивлений . При осуществлении ускоренного подвода и отвода силовой головки от обрабатываемой детали рационально, наоборот, уменьшить гидропотери на дросселе 7 за счет его открытия и, тем самым, повысить КПД указанных операций.

Проведенный тепловой расчет гидросистемы показал, что для охлаждения рабочей жидкости до заданных температур вполне достаточно осуществлять конвективный теплообмен, так как требуемый объем жидкости в масляном баке для охлаждения незначителен.

Список литературы

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М.Башта и др. М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

2. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.: Машиностроение, 1972. - 320 с.

3. Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы. Справочник. М.: Машиностроение, 1982. - 464 с.

4. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник. Под ред. Е.В.Герц. М.: Машиностроение, 1981. - 408 с.

5. Столбов Л.С. и др. Основы гидравлики и гидропривод станков. М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

6. Курсовое проектирование. Организация, порядок проведения. Оформление расчетно-пояснительной записки и графической части. Стандарт предприятия. СТП ВГТУ 62 – 2007. Воронеж: ВГТУ, 2007. – 49 с.