Розв’язок.
Швидкість руху поршня
Vп= 
=9,78 дм/хв
Витрата мастила, потрапляємого в гідроциліндр
Qц= 
=8,95 л/хв
Подача насоса
Qн=Qц+Qкл=8,95+1,55=10,5 л/хв
Перепад тиску на дроселі визначається із виразу витрати через дросель
Qдр= 
D p др= 
=0,63×106 Па=0,63 мПа
Тиск в правій порожнині гідроциліндра
p цп=D p др+D p дл=0,63+0,2=0,83 мПа
Тиск в лівій (штоковій) порожнині гідроциліндра
p цл= 
=8,24×106Па= =8,24 мПа
Споживана насосом потужність
N= 
=1,846 кВт
Втрати потужності із-за злива мастила через гідроклапан:
Nкл=Qкл×Рн= 
=218 Вт
Корисна потужність гідропривода – корисна потужність гідроциліндра
Nп=F×Vп= 
=1026,9 Вт = 1,027 кВт
ККД гідропривода
h= 
=0,56.
Тема 2.4. Обладнання і схеми об’ємного гідроприводу.
Силові гідроциліндри їх призначення і будова. Розрахунок гідроциліндрів. Поворотні гідродвигуни. Роторні гідродвигуни – гідромотори. Зворотність роторних насосів і моторів. Гідромотори шестеренчатих, гвинтових, пластинчастих і роторно-поршневих типів. Розрахунок крутного моменту і потужності на валу гідромотора. Регулювання робочого об’єма гідромотора. Високомоментні мотори.
Розподільні пристрої. Призначення, принцип дії і основні типи (золотникові, кранові, клапанні).
Клапани, гідроакамулятори, фільтри, гідробаки, гідролінії, з’єднання, їх класифікація, будова і принцип дії.
Дроселі і регулятори потоку.
Література: (1) ст.307-357, 365-367, 373-379, 410-416, (2) ст. 260- 308, (4) ст. 221-224.
Методичні вказівки.
Об’ємним гідродвигуном називається об’ємна гідромашина призначена для перетворення енергії потоку робочої рідини в енергію руху вихідної ланки (штока гідроциліндра або вала гідромотора).
В залежності віід характера руху гідромотори діляться на три класи:
- гідроциліндри з поступальним рухом вихідної ланки (плунжерні, поршневі, телескопічні, односторонньої дії, двосторонньої дії, одноштокові, двоштокові);
- поворотні гідродвигуни – з обмеженим кутом поворота вихідної ланки (вала);
- гідромотори – з обертальним рухом вихідної ланки (вала).
Гідроциліндри являються самими розповсюдженими гідродвигунами в сучасних машинах з об’ємним гідроприводом.
Студенту необхідно засвоїти конструктивні схеми гідроциліндрів односторонньої і двухсторонньої дії, телескопічних гідроциліндрів, гідроциліндрів одноштокових і двухштокових, а також усвоїти розрахункові формули для визначення зусилля на штоці, швидкості його руху, необхідної витрати, розвинутої потужності з врахуванням ККД гідроциліндра.
Поворотні гідродвигуни бувають двох типів:
- гідродвигуни з перетворенням поступального руху в обертальний – поршневі поворотні двигуни, в яких поступальний рух поршня перетворюється в поворотний рух вихідної ланки з допомогою зубчатої передачі;
- гідродвигуни без перетворення характера руху – шиберні поворотні гідродвигуни (одно і двохшиберні).
Збільшення кількості шиберів (при однакових габаритах двигуна і одинаковому тиску рідини) збільшує крутний момент на валу гідродвигуна але зменшує можливий кут повороту вихідного вала.
Гідромотори являють собою об’ємні роторні гідромашини. Великої різниці в конструкції насоса і гідромотора немає, а в ряді випадків вони абсолютно однакові. Так як і насоси вони можуть бути регульовані і нерегульовані, реверсивні і нереверсивні, однократної і багатократної дії. Основними геометричними параметрами об’ємних роторних гідромоторів, як і насосів, являється робочий об’єм.
При вивченні роторних гідромоторів необхідно засвоїти їх принцип дії, розрахункові формули для визначення крутного моменту, потужності, частоти обертання. Звернути увагу на спосіб зміни цих параметрів (регулювання).
Гідроапарати – це пристрої, призначені для зміни параметрів робочої рідини (напрямку потока, тиску, витрати) або для підтримки їх заданого значення. До гідроапаратів відносяться гідророзподільники, гідроклапани, гідродроселі.
Якщо гідроапарат дозволяє зміну параметрів потоку робочої рідини в прцесі роботи шляхом різного ступеню відкриття чи закриття прохідного перерізу, то він називається регулюємим. Якщо змінювати параметри рідини можна тільки в неробочому стані, то такі гідроапарати називаються настроюваними і нерегульованими.
Розподільні пристрої – це гідроапарати, призначені для направлення і розподілу потоку рідини від насоса до гідромотора і відводу від них відпрацьованої рідини на злив.
Розрізняють кранові, клапанні і золотникові розподільні пристрої. Останні відносно прості у виготовленні і надійні в роботі. Розподільні пристрої розрізняють один від одного кількістю фіксованих позицій розподільника, кількістю каналів розподільника для однієї, якоїсь фіксованої позиції і способом з’єднання між собою напорної і зливної гідроліній при середньому положенні розподільного золотника.
Гідроклапани - по функціональним ознакам діляться на запобіжні, переливні, перепускні, зворотні, редукційні.
Гідродроселі – це регулюючі гідроапарати, що являють собою місцеві гідравлічні опори, призначені для зниження тиску (енергії) потока рідини.
Призначення дроселів – встановлення бажаного зв’язку між витратою робочої рідини і перепадом тиску до і після дроселя. Використовують дроселі: голкові, щілинні, гвинтові і з додатковим пристроєм (регулятором потоку).
Розподільники потоку використовують у гідросистемах для розділення порівну потоку з метою синхронізації руху силових органів машини незалежно від навантаження на них.
До допоміжних пристроїв належать гідробаки, фільтри, гідроакамулятори, ущільнювачі, трубопроводи.
Гідробаки – призначені для збереження запасу робочої рідини.
Фільтри – очищують рідину від забруднення під час її циркуляції. Конструкції фільтрів: сіткові, пластинчаті, повстяні, з запобіжними клапанами.
Гідроакумулятори - пружинні акумулятори, пневмогідроакамулятори використовують тоді, коли виникає потреба в певний період часу забезпечити витрату, яка перевищує подачу насоса.
Ущільнювачі – забезпечують герметичність у гідроприводі. Сюди належать поршневі кільця, манжети, сальники, пркладки, тощо.
Трубопроводи гідроприводів – це звичайні сталеві, а подекуди мідні труби, та гумові рукава високого тиску.
Гідрозамки – пристрої призначені для попередження опускання робочих органів при зупинці і фіксації їх.
Запорні пристрої – пристрої призначені для того щоб не витікала робоча рідина із шлангів при їх роз’єднанні.
Питання для самоперевірки.
1. Приведіть конструктивні схеми і поясніть роботу гідроциліндрів односторонньої і двухсторонньої дії, телескопічних гідроциліндрів.
2. Коли застосовуються гідроциліндри з одностороннім і двухстороннім штоком?
3. Як визначити величину необхідної подачі для гідроциліндра?
4. Від яких параметрів гідроциліндрів залежить розвинута потужність і зусилля на штоці? Приведіть формули.
5. Які пристрої служать для гальмування поршня гідроціліндра в крайніх положеннях?
6. Приведіть конструктивні схеми і поясніть принцип дії поворотних гідродвигунів.
7. Приведіть конструктивні схеми і поясніть принцип дії роторних гідромоторів.
8. Від яких параметрів залежить розвинутий на валу роторних гідромоторів крутний момент, потужність і частота обертання?
9. Які конструктивні особливості високомоментних гідромоторів?
10. Що таке гідроапаратура? Класифікація гідроапаратів.
11. Як класифікуються гідророзподільні пристрої по конструктивним ознакам?
12. Які типи клапанів ви знаєте? Їх призначення?
13. Для чого в гідроприводах застосовують дросельні пристрої?
14. В яких місцях в гідроприводі встановлені фільтри? Чого?
15. Що таке гідроакумулятор і коли його застосовують?
16. Що таке подільники потоку? Конструктивні особливості, принцип дії.
17. Що таке стежний гідропривод?
Задачі.
Приклад 2.4.1. Визначити тиск мастила p1 в робочій порожнині гідроциліндра з двохстороннім штоком (Мал. 23). D=100 мм, d=40 мм, при якому шток гідроциліндра розвиває зусилля F=50 кПа, прийнявши протитиск в зливній порожнині p2=0,1 мПа і механічний ККД hм=0,96.
Розв’язок.
Зусилля, розвинуте штоком, визначається по формулі:
F=(p1-p2) 
(D2-d2)hм
Звідки
p1= 
=8 мПа.
Приклад 2.4.2. У гідроциліндрі з діаметром поршня D=160 мм, швидкість руху поршня вліво 0,1 м/с, об’ємний ККД 0,98, а витрата рідини в штоковій камері 0,5 л/с. Обчисліть діаметр штока (Мал. 24).
Розв’язок.
На основі формули
Q= 
Звідки
dм= 
=0,14 м.
Приклад 2.4.3. Радіально-поршневий гідромотор має робочий об’єм V0=200см3. Визначити при якому робочому тиску p1 і витраті Q вихідний вал гідромотора розвине крутний момент М=970 Н×м і частоту обертання n=5 с-1. Прийняти протитиск в зливній порожнині гідромотора p2=0,23 мПа, гідромеханічний ККД hгм=0,96 і об’ємний ККД h0=0,98.
Розв’язок.
Крутний момент на валу гідромотора можна визначити через корисну потужність і кутову швидкість обертання вала
М= 
Корисна потужність на валу визначається через параметри робочої рідини
N=(p1-p2)Q×hгм×h0
Кутова швидкість обертання вала визначається через витрату робочої рідини і робочий об’єм гідромотора.
w= 
, так як
w=2pn, а n= 
Відповідно, крутний момент на валу гідромотора
М= 
Звідки
Р1= 
=31,96×106 Па = 31,96 мПа
Витрата масла
Q= 
=1020×10-6 м3/с = 1,02 л/с.
Приклад 2.4.4. При русі мастила через гідророзподільник з витратою Q=40л/хв втрата тиску становить Dp=0,1 мПа.
Визначити втрати тиску, якщо витрата збільшиться на 50% при незмінному положені золотника. Коефіцієнт витрати прийняти постійним.
Розв’язок.
Витрата мастила через проточний елемент гідророзподільника визначається по відомому виразу
Q= 
По умовам задачі при Q=40 л/хв, Dp1=0,1 мПа, а необхідно визначити Dp2 при Q2=1,5×40=60 л/хв. Оскільки S=const і m=const будемо мати:
або
Dp2=Dp1 
=0,225 мПа.
Приклад 2.4.5. Кульковий зворотній гідроклапан (Мал. 25) має гостру посадочну кромку і діаметр підвідного отовору d=10 мм.
Визначити ширину щілини х якої достатньо для пропуска через гідроклапан витрати мастила Q=0,6 л/с при перепаді тиску Dp=0,18 мПа.
Прийняти коефіцієнт витрати m=0,6 і густину мастила r=900 кг/м3.
Розв’язок.
Площу перерізу потока мастила, що проходить через щілину клапана можна розрахувати по формулі (приблизно)
S=pdx
Тоді відомий вираз витрати мастила через гідроклапан можна записати
Q=mpdx 
Звідки
х= 
=0,15×10-2 м = 1,5 мм.
Тема 2.5. Лопатні насоси.
Схема устрою, принцип дії, параметри насосів. Типи насосів. Рівняння Ейлера. Характеристики насосів.Насоссна установка, регулювання роботи насосної установки.
Література: (1) с. 154-207, (2) с. 184-210, (4) с. 123-149.
Методічні вказівки
Основи теорії та експлуатаційні розрахунки лопатевих насосів розглянемо на прикладі відцентрових насосів.
Відцентровий насос складається з таких основних частин: підводу, робочого колеса і спірального відводу. Робоче колесо має задній і передній диски, між якими розташовані зігнуті лопаті. Задній диск закріплений на валу.
Під час роботи насоса колесо обертається в бік, протилежний напрямкові згину лопатей. Крапельки рідини, що є на лопатях, обертаються разом з ними і під дієї відцентрових сил відкидаються в спіральний відвід, а потім потрапляють у напірний патрубок. У ньому швидкість рідини зменшується, а тиск збільшується. Навколо маточини робочого колеса створюється область зниженого тиску, завдяки чому виникає сталий потік рідини через підвід, пов’язаний з всмоктувальним трубопроводом.
Точка К, що є на лопаті (Мал. 26.), буде рухатися разом з колесом з коловою швидкістю u й одночасно під дією відцентрових сил з відносною швидкістю w. Колова швидкість u спрямована перпендикулярно до радіуса R обертання точки К в бік обертання колеса, відносна швидкість w – по дотичній до лопаті в точці К. У результаті векторного додавання двох швидкостей u i w отримаємо абсолютну швидкість v, з якою рухається рідина в точці К.
Розкладемо абсолютну швидкість v на дві складові: v u – колову складову абсолютної швидкості та v м – меридіональну швидкість, спрямовану по радіусу.
 |
Мал. 26.Швидкості рідини в робочому колесі
відцентрового насоса.
Кут між напрямком швидкостей v i u позначимо a, а між напрямком швидкості w і зворотнім напрямком швидкості u - b.
Індексом 1 позначимо величини, що стосуються входу на лопать, індексом 2 – виходу.
Подачу відцентрового насоса обчислюють за формулою
Q=2pR2b2y2h0vм2,
де 2pR2b2 –площа зовнішньої циліндричної поверхні робочого колеса;
vм2 – меридіональна швидкість на виході з робочого колеса;
y2 – коефіцієнт обмеження потоку на виході з робочого колеса,
,
де z – кількість лопатей;
d2 – товщина лопатей на виході.
Для обчислення теоретичного напору використовують основне рівняння відцентрового насоса – рівняння Ейлера, дійсне при безмежній кількості лопатей, товщина яких прирівняна до нуля,
.
У багатьох конструкціях відцентрових насосів потік рідини на вході не закручується, a1=90°, тому в цих випадках
.
Дійсни напір насоса обчислюють за формулою
,
де k – коефіцієнт впливу лопатей:
k= 
,
j - коефіцієнт напрямного апарата;
z – кількіість лопатей.
Для насосів з напрямним апаратом j=0,8…1,0; без нього j=1,0…1,3.
Робочою характеристикою насоса називається залежність напору, потужності, ККД і допустимого кавітаційного запасу Dhдоп від подачі при сталій частоті обертання. Характеристику отримують експериментально.
Питання для самоперевірки.
1. Поясніть принцип дії центробіжних насосів.
2. Зобразіть паралелограм швидкостей на вході і виході із робочого колеса.
3. Напишіть рівняння подачі центробіжного насоса.
4. Напишіть рівняння дійсного напору насоса.
5. Що таке характеристика центробіжного насоса?
Задачі.
Приклад 2.5.1. Якою буде подача відцентрового насоса, діаметр робочого колеса якого D=180 мм, частота його обертання n=3200 хв-1, відносна швидкість потоку w=5 м/с, ширина каналу робочого колеса на виході b2=12мм, товщина лопаті d=4 мм, кількість лопатей 8. Об’ємний ККД насоса прийняти 0,9, вихідний кут лопатей 25°.
Розв’язок.
Колова швидкість
u2= 
=30,14 м/с.
Меридіальна складова абсолютної швидкості на виході vм2=w×sin b2=5×sin25°=2,11 м/с. Коефіцієнт обмеження потоку на виході з колеса
=0,866.
Подачу насоса обчислюють з формули Q=pD2b2y2vм2h0=3,14×0,18×0,012´ ´0,866×2,11×0,9=0,0112 м3/с=11,2 л/с.
Приклад 2.5.2. Визначте теоретичний напір насоса при таких даних: діаметр входу лопатей D1=0,15 м; діаметр робочого колеса D2=0,35 м; абсолютні швидкості на вході і виході v1=4 і v2=24 м/с. Кут лопатей на вході a1=75°, на виході a2=12°. Швидкість обертання колеса 145 с-1.
Розв’язок.
Теоретичний напір за Ейлером
,
де vu2 , vu1 – відповідно проекції абсолютної швидкості на напрям колової;
u2, u1 – відповідно колові швидкості на виході і вході лопатей:
vu2=v2cosa2; vu1=v1cosa1; u2=wD2/2; u1=wD1/2.
Отже,
=59,58 м.
Приклад 2.5.3. Використавши дані попередньої задачі, обчисліть дійсний напір насоса при кількості лопатей 8 і гідравлічному ККД 0,85.
Розв’язок.
Дійсний напір насоса
Н=НТ¥khг,
де k – коефіцієнт, що враховує вплив наявності лопатей,
k= 
=0,784.
Отже, напір насоса
Н=59,58×0,784×0,85=39,7 м.
Тема 2.6. Гідродинамічні передачі.
Призначення і принцип дії гідродинамічних передач. Гідромуфти і гідротрансформатори. Їх схеми, робота, характеристики.
Література: (1) с. 240-255, (3) с. 327-355, (4) с. 151-186.
Методичні вказівки.
Багато виконавчих механізмів та машин працюють при змінних навантаженнях. Наприклад, трактор тягне вантаж по нерівній дорозі: навантаження на двигун буде діяти ривками з великою зміною моментів. Значно завантажений автомобіль рушає з місця вгору: для цього на колеса треба передати великий момент при малих обертах.
Однак характеристика двигунів не пристосована до змінних навантажень. Двигун розрахований на сполучення певних моментів та частоти обертання вала, у діапазоні яких він працює найефективніше. При зміні зовнішнього навантаження і швидкості обертання вала двигуна умови його роботи погіршуються і він може заглохнути, або вийти з ладу.
Двигун пристосовують до змінних умов роботи за допомогою трансмісій, які дають змогу змінювати крутний момент та частоту обертання вихідного вала. Серед багатьох засобів трансформування моменту і частоти обертання вала широко використовують гідродинамічні передачі, які складаються з лопатевих насоса і турбіни, пов’язаних замкненим колом циркуляції. Лопатеві колеса розташовані співвісно і дуже наближені одне до одного. Вал насоса є ведучим, первинним валом передачі, а вал турбіни – веденим, вторинним.
Гідропередача з насосом і турбіною називається гідромуфтою. Якщо в гідропередачі встановлений нерухомий напрямний аппарат – реактор, то це буде гідротрансформатор. Гідромуфта призначена для зміни частоти обертання вихідного вала, а гідротрансформатор змінює як частоту обертання, так і крутний момент.
До гідропередачі, як і до будь-якої трансмісії прикладені три крутні моменти: момент насоса Мн, що дорівнює моменту двигуна; момент турбіни Мт, що дорівнює моменту навантаження; момент нерухомого реактора Мр. Для трансмісії алгебраїчна сума прикладених моментів дорівнює нулю:
Мн+Мт+Мр=0
Параметри гідродинамічних передач:
- внутрішні подача насоса Q; напір насоса Н; геометричні розміри (головний з них активний діаметр D);
- зовнішні кінематичні (частота обертання насоса n1, турбіни n2, передавальне відношення і=n2/n1); силові (момент насоса Мн, турбіни Мт, коефіцієнт трансформації К=Мт/Мн); енергетичні (потужність насоса Nн, турбіни Nт); економічний (коефіцієнт корисної дії h):
Гідропередача являє собою механізм, який складається з двох максимально зближених в одному корпусі робочих коліс центробіжного насоса і лопатної турбіни (гідродинамічна муфта) або центробіжного насоса, лопатної турбіни і додаткового нерухомого лопатного колеса, так названого реактора, або напрямного апарата (гідродинамічний трансформатор).
При обертанні насосного колеса, завдяки силовому впливу лопатей на рідину, збільшується момент кількості руху рідини, а на турбінному колесі – зменшується. За рахунок цього на валу турбінного колеса виникає крутний момент. Оскільки у гідромуфти прцес проходить між двома колесами, крутний момент на ведучому валу (валу насосного колеса) рівний, не звертаючи увагу на втрати в зазорі між колесами, крутному моменту на ведомому валу (валу турбіни). В гідротрансформаторі, внаслідок наявності реактора, лопатки якого відхиляючи потік, змінюють момент кількості руху рідини, крутний момент на ведучому валу (валу насосного колеса) може бути і менше і більше крутного моменту на ведомому валу (валу турбіни), тобто при передачі з ведучого на ведомий вал крутного моменту проходить його трансформація.
В комплексних гідропередачах (гідротрансформаторах) реактор розміщується на муфті вільного ходу і на деяких режимах може обертатись разом з робочими колесами.
Оцінка енергетичних і експлуатаційних якостей гідродинамічних передач проводиться по їх характеристикам, отриманим на експерементальних стендах.
Гідропередачі використовуються в машинобудуванні і на транспорті: на тепловозах, дорожніх і землерийних машинах, автомобілях, приводах потужних вентиляторів, на буровому та судовому устаткуванні.
Питання для самоперевірки.
1. Призначення, принцип дії і область застосування гідродинамічних передач?
2. Які два види гідродинамічних передач ви знаєте і чим вони відрізняються один від одного?
3. Переваги і недоліки гідродинамічних передач в порівнянні з іншими трансмісіями.
4. Які вимоги пред’являються до робочих рідин гідродинамічних передач?
5. Із яких головних елементів складається гідромуфта?
6. Поясніть принцип дії гідромуфти.
7. Поясніть принцип дії гідротрансформатора.
8. Зовнішні характеристики гідротрансформатора.
9. Що таке комплексний гідротрансформатор?
