Расчетно-пояснительная записка. по дисциплине: «Гидравлика»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Гидравлика»

 

«Гидравлический расчет гидропривода подачи силовой головки

агрегатного станка»

Расчетно-пояснительная записка

Разработал студент группы ТМ-091 Дочкин Сергей Игоревич

(Ф. И. О.)

Руководитель проекта: Бородкин Владимир Васильевич

(Ф. И. О.)

Защищен _____________________ Оценка ___________________

 

 

Задание

на курсовую работу по дисциплине: «Гидравлика (механика жидкости и газа)»

Тема: «Гидродинамический расчет системы агрегатного станка»

Студент группы ТМ-091

Номер варианта 5

 

1.Исходная информация для выполнения курсовой работы

 

Рис. 1. Схема гидропривода подачи силовой головки

агрегатного станка

 

Широкое распространение в агрегатных станках и автоматических линиях получили гидроприводы подач с дроссельным регулированием скорости. Цикл работы агрегатной силовой головки включает ускоренный ее подвод к заготовке, рабочую подачу, выстой на упоре и ускоренный отвод в исходное положение. Принципиальная схема гидропривода подачи силовой головки агрегатного станка приведена на рис. 1

При включении электромагнита Y2 масло под давлением от насоса 1 подводится через золотниковый гидрораспределитель 2 в штоковую полость силового гидроцилиндра 3 привода агрегатной головки. Агрегатная головка ускоренно перемещается влево, при этом масло из поршневой полости гидроцилиндра 3 через гидролинию, открытый золотник ускоренных ходов 4, дроссель скорости ускоренных перемещений 7 и гидрораспределитель 2 вытесняется в масляный бак. В конце ускоренного подвода кулачок, установленный на агрегатной головке, нажимает на ролик золотникового устройства 4 и плавно перекрывает проход масла через проточки золотника 4. Поэтому в дальнейшем масло из поршневой полости гидроцилиндра 3 может вытесняться только через регулятор потока 5, который отрегулирован на расход, соответствующий рабочей подаче агрегатной головки.

Агрегатная головка движется с рабочей подачей, инструмент обрабатывает деталь, а в конце рабочего хода головка доходит до жесткого упора. При этом дается некоторое время на выстой на упоре для зачистки обработанных торцовых поверхностей.

После выстоя отключается электромагнит Y2 и включается электромагнит Y1. Гидрораспределитель 2 переключается в положение, при котором масло под давлением от насоса 1 через гидролинию, дроссель скорости ускоренных перемещений 7, обратный клапан 6 подврдится в поршневую полость гидроцилиндра 3, а штоковая полость гидроцилиндра 3 через гидрораспределитель 2 сообщается гидролинией со сливом в масляный бак. Агрегатная головка ускоренно отводится вправо до исходного положения, где подается команда на отключение электромагнита Y1. При этом пружины устанавливают золотник гидрораспределителя 2 в среднее положение, обе полости гидроцилиндра 3 соединяются со сливной магистралью и агрегатная головка останавливается. Далее цикл повторяют.

Основные особенности данной схемы:

1) регулирование рабочей подачи производится дросселем с регулятором потока, включенным на выходе из гидроцилиндра, что обеспечивает постоянство подачи инструмента при изменениях нагрузки и, в частности, обеспечивает плавный выход сверл при обработке сквозных отверстий;

2) управление торможением рабочего узла при переходе с быстрого подвода на рабочую подачу производится по схеме «с контролем по пути», что позволяет точно и надежно переходить на рабочую подачу вблизи режущего инструмента от обрабатываемой поверхности, т.е. максимально уменьшить время «обработки воздуха»;

3) для увеличения расхода масла через регулятор потока 5 он подключен к рабочей полости гидроцилиндра с большей площадью, т.е. поршневой.

Для гидравлической схемы, изображенной на рис. 1, необходимо:

1. Построить характеристики каждой гидролинии, сети в целом и насоса с переливным клапаном. Найти параметры рабочих точек во всех операциях цикла.

2. Построить циклограммы p = f (t) и Q = f (t).

3. Определить величины развиваемой и потребляемой мощностей, а также К.П.Д. по операциям цикла.

4. Произвести расчет теплообменника, охлаждающего рабочую жидкость.

Исходные данные для проведения расчетов.

Рабочая жидкость - масло «Индустриальное 20» при температуре С: r = 891 ; n = 0,235 Ст.

Длины ходов агрегатной головки:

- рабочего хода - = 10 мм;

- при подводе к обрабатываемой заготовке - = 50 мм.

Сила сопротивления движению агрегатной головки в период холостого хода - = 0,2 кН.

Длины гидролиний:

- от насоса 1 до гидрораспределителя 2 - = 1 м;

- от гидрораспределителя 2 до гидродвигателя 3 - =2 м;

- от гидродвигателя 3 до золотника 4 - = 1 м;

- от гидродвигателя 3 до регулятора потока 5 и обратного клапана 6 - = 2 м;

- от золотника 4 до дросселя 7 - = 2 м;

- от регулятора потока 5 и обратного клапана 6 до дросселя 7 - = 0,5 м;

- от гидрораспределителя 2 до сливного отверстия в масляном баке - = 1 м.

Длинами гидролиний от дросселя 7 до гидрораспределителя 2 и всасывающего трубопровода насоса пренебречь.

Величины коэффициентов местных сопротивлений:

- гидрораспределитель 2 - = 8;

- золотник 4 - = 6;

- клапан обратный 6 - = 4;

- регулятор потока 5 - ;

- дроссель 7 - = 15.

Номинальный теоретический расход насоса 1- .

Номинальное давление в насосе - .

Объемный К.П.Д. насоса -

Характеристика переливного клапана (линейная):

- при при

К.П.Д. гидродвигателя 3 - .

Диаметр трубопроводов гидролиний , нагрузка на агрегатную головку в период рабочего хода , диаметры поршня и штока силового гидродвигателя и коэффициент местного сопротивления регулятора потока

 

 

Содержание:

Задание на курсовой проект…………………………………………………………2

1.Исходная информация для выполнения курсовой работы……………………...2

Замечания руководителя…………………………………………………………….7

Введение………………………………………………………………………………8

2.Расчет параметров гидропривода по операциям цикла…………………………10

2.1 Расчет характеристик гидропривода в период ускоренного подвода инструмента к заготовке……………………………………………………………10

2.2Расчет характеристик гидропривода в период рабочего хода…………...…17

2.3 Расчет характеристик гидропривода в период возврата инструмента в исходное положение………………………………………………………………...20

3 Построение операционных циклограмм………………………………………...25

4 Расчет мощностей и К.П.Д. гидросистемы по операциям цикла……………...28

5 Тепловой расчет гидросистемы …………………………....................................29

Заключение………………………………………………………………….……….32

Список литературы……………………………………………………….…………33

 

Замечания руководителя

 

Введение

Настоящая курсовая работа имеет целью расширение, углубление, систематизацию и закрепление теоретических знаний и применение этих знаний для проектирования средств технологического оснащения процессов с использованием гидропневматических приводов. При выполнении курсовой работы приобретаются дополнительные навыки пользования справочной литературой и стандартами, умение сочетать справочные данные с теоретическими знаниями, полученными в процессе изучения курса.

При обработке деталей фрезерованием, сверлением, обточкой или хонингованием силы резания изменяются в зависимости от режимов резания, конфигурации обрабатываемой поверхности и припуска на обработку, а также при входе и выходе инструмента. В то же время подача в большинстве случаев должна поддерживаться постоянной, чтобы нагрузки на режущие кромки инструмента соответствовали расчетным, при которых обеспечивается расчетная стойкость инструмента и исключаются его поломки.

Изменение нагрузок на рабочем органе приводит к изменению давлений в полостях гидравлических двигателей, которые их перемещают. Поэтому задача поддержания постоянной скорости подачи при переменных нагрузках сводится в гидроприводах подач таких станков к обеспечению постоянной скорости движения при переменных давлениях в гидродвигателе, что достигается использованием регу ляторов потока в сочетании с другими гидроаппаратами.

В соответствии с выполняемыми функциями элементов в гидро- или пневмосистеме можно выделить: источник питания, цепи управления и исполнительные устройства. От источника питания производится снабжение остальных частей системы рабочей средой под давлением. Цепи управления представляют собой совокупность устройств, предназначенных для преобразования и передачи сигналов к исполнительным устройствам. Цепь управления и исполнительное устройство образуют гидравлический привод, если рабочей средой служит жидкость, и газовый (пневматический) привод, если рабочей средой является газ.

Содержание курсовой работы включает в себя расчет и построение характеристик гидролиний, сети и насоса в целом, нахождение параметров рабочих точек во всех операциях цикла, построение циклограмм р = f (t) и Q = f (t). определение величин развиваемой и потребляемой мощностей, К.П.Д. по операциям цикла, а также расчет теплообменника, охлаждающего рабочую жидкость.

 

 

2 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

что в соответствии с заданием дает

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

где статический напор, величина которого для заданных внешней нагрузки и рабочей жидкости равна = 0,54*10⁶/891*9,81 = 61 м; суммарные

потери напора в гидросистеме, величина которых зависит от режима течения, определяемого по критерию Рейнольдса:

Смена режимов течения жидкости происходит при критическом значении числа Рейнольдса, равном Re_кр=2300, с учетом которого величина критического расхода жидкости в трубопроводе определится в виде:

Re_кр =1806,4 *d_тр*V

Подставляя численные значения, приведенные в задании, находим для расхода, определяемого подачей насоса, величину:

Q_КР = 1806,4*10*10^-3*0,235*10^-4 = 0,42*10^-3(м³/с).

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

где - суммарная длина трубопроводов гидросистемы;

эквивалентная длина трубопроводов. Поскольку при ламинарном режиме течения характеристика трубопровода носит линейный характер, то для ее построения достаточно всего двух точек. При Q=0 .При Q= Q_кр

,

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

Подставляя заданные численные значения указанных величин для первого участка простого трубопровода находим:

 

=12,7(м.)

 

Учитывая, что максимальный расход жидкости на первом участке простого трубопровода не может превышать максимальной подачи насоса =0,3 • 10^-3 м³ /с, приходим к выводу, что режим движения жидкости в этом трубопроводе всегда ламинарный.

По расчетным точкам в координатах Н = f(Q) строим характеристику первого участка простого трубопровода, которая приведена на рисунке 2.

Для второго участка простого трубопровода расход жидкости в гидросистеме Q₁ может быть определен исходя из уравнения расходов в рабочих полостях гидроцилиндра 3, т.е

откуда величина критического расхода насоса для смены режимов на втором

участке простого трубопровода определится из уравнения:

Подставляя заданные численные значения указанных величин для второго участка простого трубопровода находим:

При Q= 0 = 0. При Q=Q_кр1н

)

При расходе жидкости в гидросистеме Q>Q_кр режим течения жидкости становится турбулентным и суммарные гидропотери в этом случае

определяют по уравнению:

где λ - коэффициент гидравлического трения (Дарси), величина которого зависит как от относительной шероховатости трубопровода, так и от числа Рейнольдса. При числах 4000<Re< 10⁵ коэффициент Дарси определяют для гидравлически гладких труб по формуле Блазиуса:

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:

По исходным данным определим расчетные точки, необходимые для построения характеристики второго участка простого трубопровода. При по формуле

*0.3*10^-3=0.54*10^-3 (м/с)

 

Промежуточную формулу найдем в соответствии с уравнением

 

По расчетным точкам и в соответствии с уравнением (2.1.2) в координатах Н = f(Q) строим характеристику второго участка простою трубопровода, учитывая позиционную нагрузку от силового гидроцилиндра 3, выражаемую величиной статического напора Н_cт. 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 потребном) напору гидросети. Нанося на суммарную характеристику сети в одинаковом масштабе характеристику насоса Н_н=f(Q), 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:

H_xx=72м.

 

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, что в соответствии с заданием дает:

Статический напор для заданных внешней нагрузки и рабочей жидкости:

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

При Q_кр=0,42*10^-3 м³/с

По расчетным точкам в координатах Н = f(Q) 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 Q_кр1=0,23*10^-3 (м³/с).

При Q=Q_кр1

 

при

При Q=0

При Q_п=0,24*10^-3 (м³/с)

 

 

По расчетным точкам в координатах Н = Г(0) строим характеристику второго участка простого трубопровода, учитывая позиционную нагрузку от силового гидроцилиндра 3, выражаемую величиной статического напора Н_1Т. 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 Н„ =Г«3), 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: Q_РХ =0,286 10^-3 м3/с; Н_РХ =121м

 

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

что в соответствии с заданием дает , откуда H_cт=0,78*10⁶/891*9,81=89,2(м)

Для первого участка простого трубопровода получаем:

Q_кр=1806,4*10*10^-3*0,235*10^-4=0,425*10^-3 (м³ / с)

При подаче насоса Q Q_кр режим движения жидкости будет ламинарным и характеристика первого участка простого трубопровода будет линейной. Для ее построения достаточно всего двух точек. При Q = 0 = 0. При Q = Q_кр получим:

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 в координатах H=f(Q) строим характеристику первого участка простого трубопровода, которая приведена на рисунке 4.

Для второго участка простого трубопровода расход жидкости в гидросистеме Q₁, может быть определен исходя из уравнения расходов в рабочих полостях гидроцилиндра 3, т.е.:

(м³/с)

Откуда величина критического расхода насоса для смены режимов на втором участке

0,76*

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

При Q=0

 

 

 

 

По расчетным точкам в координатах Н = Г(0) строим характеристику второго участка простого трубопровода, учитывая позиционную нагрузку от силового гидроцилиндра 3, выражаемую величиной статического напора Н_ст. 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 Н_н=Г((}), 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 заготовки определяется из графика (см. рисунок 4) и составляют:

Q_0x=0.283*10^-3 м³ /с

H_0x=128м

 

 

3 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:

Продолжительность операции рабочего хода составит:

Продолжительность операции возврата инструмента в исходное положение определим по уравнению:

Подставив численные значения параметров, приведенных в задании на курсовую работу, получим продолжительности операций цикла, которые сведем в таблицу 1.

 

 

Таблица 1- Параметры операций цикла работы гидропривода

 

Операции	Н,м	Q, 10-3 м3/с	t,c
Ускоренный привод		0.293	0.2697
Рабочий ход		0.286	0.054895
Возврат инстумента		0.283	0.599

Используя расчетные параметры из таблицы 1, 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 H=f(Q), характеризуют мощность, затраченную насосом на функционирование гидросистемы по операциям цикла. Подсчитаем величины этих мощностей.

 

4 Расчет мощностей и КПД гидросистемы по операциям цикла.

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

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

где 8 1 площадь шток-поршня со стороны силовой камеры гидроцилиндра.

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

Подставив численные значения параметров в и вычислив значения N_з, N_п и η по операциям цикла, сведем их в таблицу 2.

 

Таблица 2 – Значение мощностей и КПД по операциям цикла гидросистемы

Операции	Nп, кВт	Nз , кВт	η
Ускоренный подвод	0,014	0,18439	0,0759
Рабочий ход	0,200	0,30248	0,6612
Возврат инструмента	0,215	0,316623	0,67904

 

 

5 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 Q¹ в единицу времени при условии, что температура рабочей жидкости будет не более, чем на превышать температуру окружающего пространства, можно приближенно определить по формуле:

где V - в л; Q¹ - в кВт; - в °С. По техническим требованиям к станкам допустимая температура рабочей жидкости в гидросистеме не должна превышать 55⁰C.

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

Подставляя численные значения получаем:

7.54688*10^-3 (м³)

 

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. БаштаТ.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.: Машиностроение, 1972.-320 с.

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