Гидропривод

Министерство образования Российской Федерации

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Институт нефти и газа

Кафедра "Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности"

Защита	К защите
Оценка	Дата
Подпись	Подпись

ГИДРОПРИВОД

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине "Гидромашины и компрессоры"

17.02.011.000.ПЗ

Выполнил: студент группы МОП 98-2 Коротков П.Н.

Проверил: к.т.н., доцент Двинин А.А.

г. Тюмень,

2001 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Лист
ВВЕДЕНИЕ		3
1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ		5
1.1. Выбор функциональной схемы гидропривода		5
1.2. Выбор рабочей жидкости		6
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ		7
2.1. Выбор гидродвигателя		7
2.2. Определение расхода жидкости		7
2.3. Выбор гидравлической аппаратуры		8
2.4. Расчет гидравлической сети		9
2.5. Выбор насоса и определение его рабочего режима		12
2.6. Выбор электродвигателя		13
2.7. Расчет КПД гидропривода		13
2.8. Определение объема масляного бака		14
2.9. Тепловой расчет гидросистемы		14
3. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ		16
ПРИЛОЖЕНИЕ		19
ЛИТЕРАТУРА		20

ВВЕДЕНИЕ

Гидропривод – это совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии. Обязательными элементами гидропривода являются насос и гидродвигатель.

Гидропривод представляет собой своего рода "гидравлическую вставку" между приводным электродвигателем и нагрузкой (машиной и механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ременная передача, кривошипно-шатунный механизм и т.д.). Основное назначение гидропривода, как и механической передачи, - преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.).

Приводным двигателем насоса могут быть электродвигатель, дизель и другие, поэтому иногда гидропривод называется соответственно электронасосный, дизельнасосный и т.д.

К основным преимуществам гидропривода относятся: возможность универсального преобразования механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки; простота управления и автоматизации; простота предохранения приводного двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок; широкий диапазон бесступенчатого регули­рования скорости выходного звена; большая передаваемая мощ­ность на единицу массы привода; надежная смазка трущихся поверхностей при применении минеральных масел в качестве рабочих жидкостей.

К недостаткам гидропривода относятся: утечки рабочей жид­кости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких зна­чениях давления; нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты; более низкий КПД (по приведенным выше причинам), чем у сопоставимых механических передач; необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в нее воздуха; пожароопасность в случае применения горючей рабочей жид­кости.

При правильном выборе гидросхем и конструировании гид­роузлов некоторые из перечисленных недостатков гидроприво­да можно устранить или значительно уменьшить их влияние на работу машин. Тогда преимущества гидропривода перед обыч­ными механическими передачами становятся столь существен­ными, что в большинстве случаев предпочтение отдается имен­но ему.

Сейчас трудно назвать область техники, где бы ни исполь­зовался гидропривод. Эффективность, большие технические воз­можности делают его почти универсальным средством при ме­ханизации и автоматизации различных технологических процес­сов. В частности, в горной промышленности он используется в креплении подземных горных выработок: в очистных забоях применяются индивидуальные гидравлические стойки и гидрав­лические комплексы, выполняющие основные и вспомогательные операции по передвижке как самих крепей, так и другого ме­ханического оборудования в лаве; широко применяются крепи сопряжения горных выработок. Практически все комбайны для ведения очистных и нарезных работ, проведения подготовитель­ных выработок имеют гидропривода подачи исполнительного органа на забой и механизмов для выполнения различных вспо­могательных операций. Гидропривод является неотъемлемым элементом буровых установок. Большинство приводов шахтных конвейеров снабжено гидродинамическими муфтами. [1]

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1. Выбор функциональной схемы гидропривода

Функциональную схему гидропривода выбираем в соответствии с условиями заданиями:

- гидропривод состоит из насоса, двух последовательно подключенных к нему гидромоторов и гидромагистрали диной 10 метров;

- скорость вращения гидромоторов должна плавно регулироваться в пределах 20¸60 об/мин.;

- совместный максимальный крутящий момент на валах гидромоторов М=10 кН´м;

- необходимо обеспечить фиксацию вала гидромотора в момент остановки;

- предусмотреть реверсирование гидромоторов и разгрузку насосов.

В соответствии с данными требованиями выбираем схему, показанную на рис. 1.1.

Для предотвращения обратного движения жидкости при отключенном насосе или для пропуска ее только в одном направлении предусмотрим обратный клапан, для разгрузки насосов – предохранительный клапан, для обеспечения фиксации вала гидромотора – гидрозамок, для фильтрации, поступающей в насос жидкости, – фильтр дисковый жидкой смазки, для распределения потока жидкости – золотник реверсивный с электро-гидравлическим управлением.

Открытая циркуляция позволяет лучше очищать и охлаждать рабочую жидкость за счет ее отстоя в баке.

Вычислим выходную мощность на валах гидромоторов:

N
Г
=
M
´p
´n/30
(1.1)

где М – крутящий момент, кН´м;

n – частота вращения вала, об/мин

N
Г
=
10
´3,14
´20/30=20,93 кВт.

Так как выходная мощность на гидромоторе превышает 3 кВт, то необходимо применить объемный метод регулирования.

1.2. Выбор рабочей жидкости

В качестве рабочей жидкости выберем масло индустриальное марки И-20А (ГОСТ 20799-75), оно имеет следующие характеристики: вязкость при 50°С (17¸23)10-6
м2
/с, температура застывания -20°С, температура вспышки 170°С, пределы рабочих температур 0¸90°С, плотность r=881¸901 кг/м3
.

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Выбор гидродвигателя

По крутящему моменту М и числу оборотов n выбираем серийный гидромотор ВГД-630. Он имеет следующие параметры: номинальный крутящий момент 7,1 кН´м, номинальное давление 10 МПа, число оборотов в минуту 3¸70, рабочий объем 4,8 дм3
/об, объемный коэффициент полезного действия (КПД) - hо
=0,97, гидравлический КПД - hг
=0,97, механический КПД - hм
=0,97.

h
=
h
о
´h
г
´h
м
(2.1)

где h - общий КПД

h
=0,97
´0,97
´0,97=0,91

Определим перепад давления:

P
д
=
(
2
p
´M
´h
о
)/(q
д
´h
)
(2.2)

где qд
–
рабочий объем гидромотора, м3
/об

P
д
=
(
2
´3,14
´5000
´0,97)/(4,8
´10-3
´0,91)=6,97 МПа.

2.2. Определение расхода жидкости

Расход рабочей жидкости гидромотора находится согласно выражениям:

QM max
=(qд
´nmax
)/
h
о
,
(2.3)

QM min
=(q
д
´nmin
)/
h
о
,
(2.4)

где QM max
и QM max
– соответственно максимальный и минимальный расход жидкости, м3
/с;

nmax
и nmin
– соответственно максимальная и минимальная частота вращения вала гидромотора, об/с

QM max
=(4,8
´
10-3
´
1)/0,99=4,8
´
10-3
м3
/с,

QM min
=(4,8
´
10-3
´
1)/3
´
0,99=1,6
´
10-3
м3
/с
.

2.3. Выбор гидравлической аппаратуры

Исходя из задачи выбираем:

- золотник реверсивный с электро-гидравлическим управлением Г63-17А (номинальный расход 6,66 дм3
/с, номинальное давление 20 МПа, давление управления 0,8¸2 МПа, потеря давления при номинальном расходе не более 0,3 МПа);

- клапан предохранительный с переливным золотником БГ52-17А (номинальный расход масла 6,6 дм3
/с, наименьший рекомендуемый расход 0,66 дм3
/с, перепад давления на клапане при изменении расхода от наибольшего рекомендуемого на всем диапазоне давлений не более 0,5 МПа);

- обратный клапан ПГ51-27 (номинальный расход масла 9,33 дм3
/с, номинальное давление 0,3¸20 МПа, потеря давления при номинальном расходе не более 0,2 МПа);

- фильтр дисковый жидкой смазки ФДЖ-80 (наименьший размер задерживаемых частиц 0,18 мм, пропускная способность 3,4¸6,3 дм3
/с, наибольший перепад давления 0,05¸1 МПа, наибольшее рабочее давление 0,4 МПа, фильтрующая поверхность патрона 330 см2
, вес 168 кг).

2.4. Расчет гидравлической сети

Диаметры трубопроводов определяются из условия обеспечения допустимых эксплуатационных скоростей Vэкс
:

всасывающие трубопроводы:	0,5¸1,5 м/с;
сливные трубопроводы:	2 м/с;
нагнетательные трубопроводы:	5 м/с.

Исходя из этих величин, определяются внутренние диаметры трубопроводов по формуле:

d=(4Qmax
/
p
V
экс
)1/2
(2.5)

d
всас
=(4
´4,8
´10-3
/3,14
´1,5)1/2
=0,06 м;

d
слив
=(4
´4,8
´10-3
/3,14
´2)1/2
=0,055 м;

d
нагн
=(4
´4,8
´10-3
/3,14
´5)1/2
=0,034 м.

Округляем полученные значения до стандартных: dвсас
=56 мм, dслив
=56 мм, dнагн
=34 мм.

Определяем скорость движения жидкости:

V=4Qmax
/
p
´d2

(2.6)

V
всас
=4
´4,8
´10-3
/(3,14
´0,0562
)=1,9 м/с,

V
слив
=4
´4,8
´10-3
/(3,14
´0,0562
)=1,9 м/с,

V
нагн
=4
´4,8
´10-3
/(3,14
´0,0342
)=5,3 м/с.

Потери давления по длине трубопроводов составляют:

D
Pl
=
r
´g
´l
´l
´V2
´10-6
/(d
´2g)
, МПа,
(2.7)

где g – ускорение силы тяжести;

l - коэффициент Дарси;

l
– длина соответствующей трубы, м (lвсас
=2 м, lслив
=4 м, lнагн
=4 м);

d – диаметр соответствующей трубы.

Коэффициент Дарси зависит от режима движения жидкости, который в свою очередь характеризуется числом Рейнольдса Re:

Re=(V
´
d)/
n
,
(2.8)

где n - кинематическая вязкость жидкости, м2
/с

Reвсас
=1,9
´0,056/2
´10-5
=5320;

Reслив
=1,9
´0,056/2
´10-5
=5320;

Reнагн
=5,3
´0,034/2
´10-5
=9010.

Если Re>2320, то необходимо определить значение нижнего предельного числа Рейнольдса:

ign:right;">Reпр. н.
=10
d/
D
Э
,
(2.9)

где DЭ
– эквивалентная шероховатость внутренней поверхности трубы (для стальных бесшовных труб DЭ
=0,001¸0,002 мм)

Reпр. н. всас
=10
´0,056/2
´10-6
=280000;

Reпр. н. слив
=10
´0,056/2
´10-6
=280000;

Reпр. н. нагн
=10
´0,034/2
´10-6
=170000.

Если 2320<Re<Reпр. н.
, то коэффициент Дарси определяется по формуле Блазиуса для зоны "гидравлически" гладких труб:

l
=0,3164/
Re0
,
25
(2.10)

l
всас
=0,3164/2800000,25
=0,014;

l
слив
=0,3164/2800000,25
=0,014;

l
нагн
=0,3164/1700000,25
=0,016.

Таким образом потери по длине составят:

D
Pl
всас
=900
´9,81
´0,014
´2
´1,92
´10-6
/0,056
´2
´9,81=8,1
´10-4
МПа;

D
Pl
слив
=900
´9,81
´0,014
´4
´1,92
´10-6
/0,056
´2
´9,81=16,2
´10-4
МПа;

D
Pl
нагн
=900
´9,81
´0,016
´4
´5,32
´10-6
/0,034
´2
´9,81=237,9
´10-4
МПа.

Потери давления на местные сопротивления определяются по формуле:

D
PM
=
D
P
ном
(
Qmax
/Q
ном
)2
,
(2.11)

где DPном
– номинальная потеря давления, указанная в технической характеристике гидроустройства при номинальном расходе Qном
, МПа.

Потери давления в золотнике:

D
PM
зол
=0,3(4,8
´10-3
/6,66
´10-3
)2
=0,156 МПа.

Потери давления в предохранительном клапане:

D
PM
п.к.
=0,5(4,8
´10-3
/6,6
´10-3
)2
=0,264 МПа.

Потери давления в обратном клапане:

D
PM
о.к.
=0,2(4,8
´10-3
/9,33
´10-3
)2
=0,053 МПа.

Потери давления в фильтре:

D
PM
ф
=0,5(4,8
´10-3
/6,3
´10-3
)2
=0,29 МПа.

Таблица 2.1.

Потери давления в гидросистеме

Участок гидросистемы	Потери давления, МПа
	По длине, DPl	Местные, DPм	Общие, DPw
Всасывающий	0,00081	0,29	0,29081
Нагнетательный	0,02379	0,473	0,49679
Сливной	0,00162	-	0,00162
Сумма	0,0262	0,763	0,78922

Сопротивление системы определяем по формуле:

a=
D
PW
/Q2
max

(2.12)

a=0,78922/(4,8
´10-3
)2
=34254,34 МПа
´с2
/м6
.

Общее давление в гидросети, необходимое для работы гидропривода, описывается уравнением:

Pc
=z
´P
д
+
a
´Q2
,
(2.13)

где z
- число последовательно соединенных одинаковых и одновременно работающих гидродвигателей

Pc
=13
,94+34254,34
Q2
.
(2.14)

Задаваясь значениями расхода Q
, по уравнению (2.14) строится напорная характеристика гидросети Pc
=f(Q)
.

Максимальное давление в гидросистеме определяется:

Pmax
=13,
94+
a
´Q2
max
=13,94+
0
,
79
=14,73 МПа.

2.5. Выбор насоса и определение его рабочей точки

По максимальному давлению в гидросистеме и максимальной подаче выбираем насос НПМ-400 (максимальная подача при максимальном давлении и номинальном числе оборотов 6,6 дм3
/с, минимальный рекомендуемый расход при номинальном давлении 1,66 дм3
/с, номинальное давление 20 МПа, номинальное число оборотов в секунду 16, потребляемая мощность 182 кВт) и строим его напорную характеристику (рис. 2.1.). Точка пересечения напорных характеристик соответствует работе насоса на заданную гидросистему, то есть Qр
=0,0048 м3
/с, Рр
=14,73 МПа.

2.6. Выбор электродвигателя

Рассчитываем мощность на валу насоса:

N
в
=(Рр
´Q
р
)/
h
,
(2.15)

где Nв
– мощность на валу насоса, Вт;

Рр
– развиваемое давление, Па;

Qр
– производимость насоса, м3
/с;

h - общий КПД насоса

N
в
=(14,73
´106
´0,005)/0,8=92 кВт.

По полученной мощности выбираем электродвигатель: А02-91-8 (номинальная мощность 50 кВт, скорость вращения вала 740 об/мин).

2.7. Расчет КПД гидропривода

h
общ
=
N
д
/
N
в
,
(2.16)

где Nд
– выходная мощность гидродвигателя;

hобщ
– общий КПД гидропривода.

N
д
=(2
´Рд
´Q
д
)/
h
д
.
(2.17)

Подставив формулу (2.17.) в (2.16.), получим:

h
общ
=(2
´Рд
´Q
д
)/(
h
д
´N)
(2.18)

h
общ
=(2
´6,97
´
4,8)/(0,91
´
92)=0,8.

2.8. Определение объема масляного бака

W
б
=2
Q
р
,
(2.19)

где Wб
– ориентировочный объем масляного бака

W
б
=2
´0,0026=0,0052 м3
.

2.9. Тепловой расчет гидросистемы

Количество тепла, полученное гидросистемой в единицу времени, соответствует потерянной в гидроприводе мощности и может быть определено по формуле:

Q=(1-
h
общ
)
´N
в
´Кп
,
(2.20)

где Кп
– коэффициент продолжительности работы под нагрузкой

Q=(1-0,8)
´92
´0,7=12
,88 кДж/с.

Суммарная площадь тепловой поверхности:

S=0,14
´W
б
2/3
,
(2.21)

где S – суммарная площадь теплоизлучающих поверхностей гидропривода, м2

S=0,14
´0,052
2/3
=0,139 м2
.

Максимальная температура жидкости, которая достигается через 1 час после начала эксплуатации гидропривода и не зависит от времени, определяется по формуле:

t
ж
=
tmax
+Q/(K
´S),
(2.22)

где tж
– максимальная температура жидкости, °С;

tmax
– максимальная температура окружающего воздуха, °С;

К – коэффициент теплоотдачи поверхности гидроагрегатов, кДж/м2
´с´град

t
ж
=20+13=33
°
С.

Так как установившаяся температура не превышает 70°С, то для охлаждения рабочей жидкости достаточно теплоотдачи с теплоизлучающих поверхностей гидропривода.

3. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

При эксплуатации гидроприводов с высоким давлением (более 10 МПа) необходимо создать безопасные условия для обслу­живающего персонала от поражения струёй жидкости. Для этого ограждают кожухом все участки гидролиний, которые не заключены в общий корпус машины. При обнаружении внеш­них утечек жидкости немедленно останавливают насос и устра­няют утечки. При высоком давлении в гидросистеме категори­чески запрещается для устранения утечек подтягивать соедине­ния трубопроводов, штуцеры и т. д. Гибкие рукава и шланги не должны перекручиваться в про­цессе эксплуатации. Контролировать их скручивание можно по продольным надписям основных параметров (диаметр, давле­ние и т. д.), наносимым заводами-изготовителями. При обнару­жении местных вздутий наружного покрова на рукавах и шлангах или при появлении хотя бы небольших утечек повреж­денные участки немедленно заменяют новыми. Запрещается эксплуатировать гидропривод высокого давле­ния без манометра или при его неисправности. На шкале или корпусе манометра должна быть нанесена красная метка, со­ответствующая наибольшему допустимому давлению в этой точке. Контроль за давлением в гидромагистрали крепей до­пускается осуществлять по манометру, установленному на на­сосной станции, а на местах — по индикатору давления. Следует периодически проверять работу предохранительных клапанов. В случае отклонения давления срабатывания клапа­на от настроечного более чем на 10% клапан должен быть за­менен новым. Запрещается настраивать клапаны в шахтных условиях. Настройка их должна производиться только на спе­циальных стендах.

Гидроприводы с гидроаккумуляторами должны иметь уст­ройства для отключения от гидросистемы. Гидропневмоаккумуляторы, работающие при давлении свыше 1,6 МПа, следует заряжать нейтральным газом.

Шум, возникающий при работе насосных агрегатов с уста­новленной мощностью до 12,5 кВт, не должен превышать уро­вень звуковой мощности 75-95 дБ при частоте 63-8000 Гц, а с установленной мощностью свыше 12,5 кВт — 85-100 дБ при тех же частотах.

Если гидропневмопривод может работать в полуавтомати­ческом или автоматическом режиме, то на пульте управления должно быть предусмотрено устройство для переключения при­вода на ручное управление в наладочном режиме и соответст­вующая сигнализация об этом.

При соблюдении необходимых мер предосторожности от поражения высоконапорными струями работа с нефтяными ма­слами и другими жидкостями гидроприводов безопасна. Одна­ко, при длительной работе с маслами необходимо пользоваться рукавицами или применять защитные мази, пасты для рук. Вскрытие тары с маслом нельзя производить инструментами, издающими при ударе искрообразование. После окончания ра­боты с маслами необходимо вымыть руки теплой водой с мы­лом.

При загорании масел допускаются все средства тушения, кроме воды, поэтому в местах хранения масел и расположения насосных станций необходимо иметь огнетушители, ящики с песком и лопаты. Промасленную ветошь следует складывать в металлические ящики с крышками, которые необходимо систе­матически освобождать от использованной ветоши.

Предельно допустимая концентрация масляного тумана в воздушной среде составляет 5 мг/м3
, предельно допустимая концентрация паров углеводородов масла в воздухе — 300 мг/м3
.

Весьма опасны ожоги рабочей жидкостью. По этой причине категорически запрещается заменять плавкие защитные пробки в гидромуфтах неплавкими заглушками. Несоблюдение этого требования может привести к ожогам даже при соприкоснове­нии с кожухом гидромуфты, а иногда и к возникновению по­жара.

Все вращающиеся и быстродвижущиеся элементы гидропневмоприводов вне корпуса машины должны быть закрыты кожухами или, в крайнем случае, иметь ограждения.

Корпуса электродвигателей и их пусковую аппаратуру не­обходимо заземлять. Заземление должна иметь и шахтная пневматическая сеть, которая может попасть под напряжение при соприкосновении с оголенными кабелями, контактным проводам и т. д. Шахтная пневматическая сеть должна иметь та­кую коммутацию, чтобы ее можно было использовать для до­ставки воды при тушении пожаров.

При снятии нагрузки пневмодвигатель может развить не­допустимо большие обороты. В целях предупреждения "разно­са" такие пневмодвигатели снабжаются регулятором скорости.

Для снижения аэродинамического шума на пневмодвигателях необходимо устанавливать соответствующие глушители, конструкции которых должны быть рассчитаны также на улав­ливание попавшего в воздух масла. [1]

ПРИЛОЖЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

1. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. – М.: Недра, 1991. – 331 с.

2. Двинин А.А., Безус А.А., Двинина И.С., Кудрявцева Н.А. Методические указания к курсовой работе по гидроприводу для студентов очной и заочной форм обучения специальности 17.02 (МОП): часть 1. – Тюмень: ТюмГНГУ, 1999. – 32 с.

3. Двинин А.А., Двинина И.С., Кудрявцева Н.А. Методические указания и задания к курсовой работе по гидроприводу для студентов заочного обучения (специальности 0508 и 0511): часть 2. – Тюмень: Ротапринт ТюмИИ, 1983. – 80 с.