Разработка конструкции поршневого гидроцилиндра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В гидроприводе строительных и дорожных машин широко применяются гидроцилиндры. Они отличаются сравнительно малыми габаритными размерами и массой на единицу передаваемой мощности, бесступенчатым регулированием скорости, удобством эксплуатации, высоким коэффициентом полезного действия и другими факторами, которые способствуют их распространению.

Гидроцилиндры предназначены для преобразования потока жидкости в механическую энергию подвижного звена, которым может быть как шток, так и корпус (гильза) гидроцилиндра. В зависимости от конструктивного исполнения, различают гидроцилиндры с односторонним и двусторонним выходными штоками, поршневые одностороннего и двустороннего действия, плунжерные. Кроме того, гидроцилиндры производятся в исполнении как с тормозными устройствами в конечных положениях, так и без них.

Основными параметрами гидроцилиндров являются их внутренний диаметр, диаметр штока, ход поршня и номинальное давление, определяющее его эксплуатационную характеристику и конструкцию, в частности тип применяемых уплотнений, а также требования к качеству обработки и шероховатости внутренней поверхности гидроцилиндра и наружной поверхности штока.

Гидроцилиндры бывают одно- и двустороннего действия. Характерная особенность гидроцилиндра одностороннего действия заключается в том, что усилие на выходном звене (например, штоке), возникающее при нагнетании в рабочую полость гидроцилиндра жидкости под давлением, может быть направлено только в одну сторону (рабочий ход). В противоположном направлении выходное звено перемещается, вытесняя при этом жидкость из гидроцилиндра, только под влиянием возвратной пружины или другой внешней силы, например, силы тяжести.

1. Исходные данные для проектирования гидроцилиндра двухстороннего действия с односторонним штоком

Номинальное давление, МПа	12,5
Усилие на штоке гидроцилиндра, кН	25
Скорость перемещения штока гидроцилиндра, м/с	0,45
Ход поршня, мм	630

Гидроцилиндр имеет корпус 1 (рисунок 1.1), в котором находится поршень 3, шток 5 поршня выходит наружу и соединяется с нагрузкой. Для устранения наружных утечек рабочей жидкости по подвижным и неподвижным разъёмам (соединениям), а также внутренних перетечек жидкости из одной рабочей полости в другую, указанные разъёмы герметизируются при помощи уплотнительных колец 2 и 4 или иных уплотнительных устройств. Жидкость, поступающая в цилиндр под некоторым давлением, действуя на его поршень, развивает усилие, преодолевающее трение и внешнюю нагрузку, приложенную к штоку 5. Часть рабочей жидкости камеры а гидроцилиндра, ограниченная корпусом, поршнем и крышкой, называется поршневой полостью, а часть рабочей камеры б - штоковой полостью гидроцилиндра.

Рисунок 1.1 - Гидроцилиндр двухстороннего действия с односторонним штоком

2. Определение мощности гидропривода и насоса

Мощность гидропривода определяем по заданным нагрузкам и скоростям гидродвигателей, обеспечивающих привод исполнительных механизмов.

Полезную мощность гидродвигателя возвратно-поступательного действия (гидроцилиндра) определяем по формуле:

N_гдв = F ·V, (1)

где: N_ГДВ - мощность гидродвигателя, кВт;

F - усилие на штоке, кН;

V - скорость движение штока, м/с.

N_гдв = 25·0,45 = 11,25 кВт.

На первом этапе расчёта гидропривода потери давления и расхода рабочей жидкости учитывается коэффициентами запаса по усилию и по скорости. Коэффициент запаса по усилию учитывает гидравлические потери давления в местных сопротивлениях и по длине гидролиний, а также потери мощности на преодоление инерционных сил, сил механического трения в подвижных соединениях и т.д. Коэффициент запаса по скорости учитывает утечки рабочей жидкости, уменьшение подачи насоса с увеличением давления в гидросистеме.

Полезную мощность насоса определяем исходя из мощности гидродвигателя с учётом потерь энергии при её передаче от насоса к гидродвигателю по формуле:

N_НП = k_зу ·k_зс ·N_ГДВ , (2)

где: N_НП - мощность насоса, кВт;

k_зу - коэффициент запаса по усилию, k_зу = 1,2;

k_зс - коэффициент запаса по скорости, k_зс = 1,2. [1, стр.9]

N_НП = 1,2·1,2·11,25 = 16 кВт

2.1 Выбор насоса и его параметров

Подачу насоса Q_н , дм³/с, определяем по формуле:

Q_н = N_нп/ р_ном , (3)

где р_ном - номинальное давление, МПа.

Q_н = 16/12,5=0,05 дм³/с

Рабочий объем насоса q_н , дм³/об, определяем по формуле:

q_н = N_нп/( р_ном·n_н) , (4)

где n_н - частота вращения вала насоса, с^-1 (n_н = 1500 об/мин = 25 с^-1).

q_н =16/(12,5*25)=0,05 дм³/об

Выбираем насос НШ-79 по подходящим параметрам р_ном и q_н [5].

По технической характеристике выбранного насоса (таблица 1) производим уточнение действительной подачи насоса Q_нд , дм³/с, по формуле:

Q_нд = q_нд ·n_нд ·?_об, (5)

где: q_нд - действительный рабочий объем насоса, дм³/об;

n_нд - действительная частота вращения насоса, с^-1;

?_об - объемный КПД насоса.

Q_нд = 0,0793·25·0,966 = 1,9 дм³/c

Таблица 1. Технические характеристики шестеренного насоса НШ-79

Параметр	Значение
Рабочий объем, см3/об	79,3
Давление на выходе, МПа: номинальное максимальное	16 20
Давление на входе в насос, МПа: минимальное максимальное	0,08 0,15
Частота вращения вала, об/мин: минимальная номинальная максимальная	1200 1820 2400
Номинальная потребляемая мощность, кВт	45,5
КПД насоса	0,91
Объемный КПД	0,966
Масса, кг	17

2.2 Расчет диаметров гидроцилиндра и элементов гидросистемы

Поршневые гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком являются самыми распространёнными гидродвигателями поступательного движения выходного звена.

Основными параметрами гидроцилиндров являются: усилии на штоке F, скорость штока V, диаметр поршня D, диаметр штока d, и ход штока L.

Усилие на штоке, скорость штока и ход штока заданы, а диаметры поршня и штока рассчитываются. Расчётная схема гидроцилиндра тянущего приведена на рисунке ниже.

Для расчета гидроцилиндра воспользуемся расчетной схемой [1].

Диаметр поршня гидроцилиндра со штоковой рабочей полостью определяем из уравнения равновесия сил, действующих на шток:

(6)

где - усилие на штоке;

- давление в поршневой полости, МПа;

- давление в штоковой полости, МПа;

- диаметр штока, м;

- диаметр поршня, м.

Определяем диаметр поршня D₁, м, из условия обеспечения заданного усилия F по формуле:

(7)

D₁==0,045м = 4,5см

где F - усилие на штоке, Н.

Кроме определения диаметров поршня и штока из условия обеспечения заданного усилия необходимо произвести расчет гидроцилиндра по обеспечению заданной скорости движения штока. В этом случае диаметр поршня вторично определяется из уравнения неразрывности потока жидкости.

Определяем диаметр поршня D₂, м, из условия обеспечения заданной скорости движения штока V по формуле:

D₂=(8)

где V - скорость движения штока, м/с;

- расход жидкости, м³/с.

D₂==0,073м = 7,3 см (9)

D_ср==0,06м = 6см

Примем гидроцилиндр со следующими характеристиками по ГОСТ 6540-68:

Параметр	Значение
Диаметр поршня D, мм	60
Диаметр штока d, мм	30

Определяем диаметр подводимых отверстий:

d_подв=0,13*D=0,13*0,06=0,0078 м

3. Определение внутреннего диаметра гидролиний

Расчётные значения внутренних диаметров всасывающей, напорной и сливной гидролиний определяем из уравнения неразрывности потока жидкости с учётом размерностей по формуле:

(10)

где: d_p -расчетное значение внутреннего диаметра (напорной, всасывающей и сливной) гидролиний, м;

Q_нд - действительный расход жидкости (подача насоса), дм³/с;

V_Ж - скорость движение жидкости в (напорной, всасывающей и сливной) гидролиниях, м/с.

Скорость движение жидкости выбираем в зависимости от назначения гидролинии таким образом, чтобы для уменьшения потерь давления на гидравлическое трение режим движения был ламинарным или близким к нему из технической литературы [4]:

всасывающая……1,2 м/с;

сливная…………..2,0 м/с;

напорная…………5,0 м/с.

По вышеуказанной формуле (11) находим значения внутренних диаметров каждой гидролинии:

d_рвс== = 0,0280м = 30,0 мм;

d_рсл== = 0,0217м = 24,0 мм;

d_рнп== = 0,0137м = 16,0 мм;

По расчётным значениям внутреннего диаметра гидролиний производим выбор трубопровода по ГОСТ 8734-75, при этом действительное значение диаметра трубопровода будет больше расчётного, т.е d ? d_сл ; d_нп; d_вс.

Значение толщины стенки примем конструктивно равным 3 мм (0,003м) из ГОСТ 8734-75.

4. Конструирование основных элементов гидроцилиндра

Гидроцилиндр с односторонним штоком состоит из следующих основных деталей (рис. 4.1.): гильзы 5, крышек 3 и 4, поршня 9, штока 1.

Рисунок 4.1 - Конструкция гидроцилиндра с односторонним штоком

Соединение гильзы гидроцилиндра с поршнем

Выбираем кольцо прямоугольного сечения:

Рисунок 4.2 - Уплотнительное кольцо прямоугольного сечения

Для устранения возможного выдавливания кольца в зазор используют специальные кольца. Одно из которых - внутреннее, изготовленное из мягкой резины, а другое - наружное, изготовленное из твердой резины, капрона и т.д.

Рекомендуемое число колец /1/

Таблица 3

принимаем 3 кольца

Таблица 4 - Основные конструктивные размеры колец

Соединение поршня со штоком

Рисунок 4.3 - Кольцо круглого сечения

Таблица 5 - Установочные размеры

Канавки под кольца

Таблица 6 - Установочные размеры

Соединения штока с гильзой

Рисунок 4.4 - Кольцо круглого сечения

Таблица 7 - Установочные размеры кольца

Рисунок 4.5 - Установочные размеры канавки

Таблица 8

Уплотнения поршня по диаметру D=63 мм обеспечивается с помощью двух манжет 12 63Ч48Ч8 МП2-80-1, которые обеспечивают герметичность в гидравлических устройствах для возвратно-поступательного движения.

Рисунок 4.6 - Манжет 63х48х8

Таблица 9 - Установочные размеры

Уплотнения штока по диаметру d=30 мм - с помощью манжеты 14 48Ч70Ч5,6.

Таблица 10 - Установочные размеры

Также на штоке установлены грязесъемник 15 ТУМХП 233-54, предназначенный для очистки от грязи поверхностей штоков.

Рисунок 4.7 - Грязесъемник

Таблица 11 - Установочные размеры

Для получения более равномерной скорости движения поршня на сливной линии из гидроцилиндра создается противодавление. В конце хода поршня цилиндрический хвостовик входит в цилиндрический канал корпуса, уменьшая тем самым проходное сечение канала, по которому рабочая жидкость поступает в сливную гидролинию. Сопротивление протеканию рабочей жидкости тормозит поршень и плавно снижает его скорость.

5. Усилие, создаваемое гидроцилиндром

Усилие, создаваемое гидроцилиндром, определим по формуле:

(11)

где р - рабочее давление жидкости, МПа;

S - площадь поршня, м²;

- сопротивление уплотнения штока, Н;

- сопротивление уплотнения поршня, Н;

- сопротивление от вытекания жидкости из противоположной полости гидроцилиндра, Н.

Определим площадь гидроцилиндра:

S = 3,14·d²/4 = 3,14·0,063²/4 = 2,8·10^-3 м².

Определим силу трения манжетных уплотнений, Н:

0,1*3,14*0,063*0,0326*12,5*10=8061 Н

где - 32,6 мм, длина уплотнения (измерение на чертеже всех длин уплотнений), м.

R_п=

R_с==4519 Н

Тогда по формуле (12):

F=2,8*10^-3-8061-2343-4519=14923 Н

6. Расчёт силового гидроцилиндра

6.1 Расчет толщины стенки гидроцилиндра

Толщина стенки гидроцилиндра:

(12)

где р - внутреннее давление, МПа;

D - внутренний диаметр цилиндра, м;

- предел текучести материала, МПа.

Для стали 35 . Коэффициент запаса прочности принимаем n=3.

Толщину стенки принимаем 6мм

6.2 Расчет толщины днища гидроцилиндра

Определим толщину днища по формуле:

(13)

где d - внутренний диаметр днища, м (определятся из чертежа);

= 100 МПа - допустимое напряжение с учетом коэффициента запаса прочности.



Принимаем толщину днища (с учетом диаметра отверстия подвода сливной линии) 30 мм.

7. Расчет гидроцилиндра на прочность и устойчивость

Рассчитаем гидроцилиндр при ходе 630 мм. Гидроцилиндр нагружен только центральными продольными нагрузками:

(14)

D₁ = 63 мм; а = 90 мм; G = 9,81 кг; l₁ = 742 мм; l₂ = 798 мм;

Рисунок 7.1 - Схема силового нагружения гидроцилиндра

Определяем моменты инерции, см⁴:

(15)

(16)

где D₁=7,5 см - наружный диаметр цилиндра,

D=6,3 - диаметр поршня,

- толщина стенки цилиндра.

Критическая сила определяется по формуле:

 (17)

(Рассчитывается цилиндр при выдвинутом штоке)

Рисунок 7.2 - График для определения критической силы

По графику 7.2 определяем:

Тогда:

Условие устойчивости выдержано.

Расчет штока на прочность.

Начальный прогиб:

Угол между осью гидроцилиндра и горизонтальной плоскостью по условию монтажа в машине равен нулю (cosб = 1).

где

Запас прочности:

Заключение

В курсовой работе был произведен расчет гидроцилиндра. Рассчитаны: диаметр штока 28 мм и гидроцилиндра 63 мм, толщина стенки гидроцилиндра 6мм, толщина днища гидроцилиндра 30мм, параметры гидролиний.

Расчеты гидроцилиндра и штока удовлетворяют условиям прочности и устойчивости.

Список литературы

гидроцилиндр шток мощность

1. Расчет объемного гидропривода мобильных машин [Текст]: методические указания / сост. Н.С. Галдин. - Омск: СибАДИ, 2003. - 28с.

2. Задания на курсовую работу по гидроприводу дорожно-строительных машин [Текст] / сост. Т.В. Алексеева, Н.С. Галдин. - Омск: СибАДИ, 1984. - 36с.

3. Приложения к заданиям на курсовую работу по гидроприводу дорожно-строительных машин [Текст] / сост. Т.В. Алексеева, Н.С. Галдин. - Омск: СибАДИ, 1984. - 36с.

4. Алексеева, Т.В. Основы машиностроительной гидравлики [Текст] / Т.В. Алексеева, Н.С. Галдин, В.С. Щербаков. - Омск: ОмПИ, 1986. - 87с.

5. Элементы объемных гидроприводов строительных и дорожных машин и их выбор при курсовом и дипломном проектировании. Ч.1. Насосы и гидродвигатели [Текст]: методические указания / сост. Т.В. Алексеева, В.С. Башкиров, Н.С. Галдин. - Омск: СибАДИ, 1983. - 30с.

6. Элементы объемных гидроприводов строительных и дорожных машин и их выбор при курсовом и дипломном проектировании. Ч.2. Гидроаппаратура [Текст]: методические указания / сост. Т.В. Алексеева, В.С. Башкиров, Н.С. Галдин. - Омск: СибАДИ, 1983. - 26с.

7. Васильченко, В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин [Текст]: Справочник / В.А. Васильченко. - М.: Машиностроение, 1983. - 301 с.

Размещено на Allbest.ru

...