Поршневой насос с кривошипно-шатунным приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

Омский Государственный Технический Университет

Кафедра «Гидромеханики и транспортных машин».

Курсовая работа по дисциплине «Объемные гидромашины и гидропередача»

Поршневой насос с кривошипно-шатунным приводом

Выполнил: студент группы Эм-141

Анастасьев Ю.Ю.

Проверил:

профессор, д.т.н. Щерба В.Е.

Омск-2017

Введение

Первым известным насосом был поршневой насос. Изобретателем его считают древнегреческого механика Ктесибия (II-I в. до н.э.). Насос был изготовлен из бронзы. Имел все основные элементы современного насоса (плунжер, цилиндры, клапаны и т.д.) и предназначался для тушения пожаров.

Простейшие деревянные насосы с проходным поршнем для подъёма воды из колодцев, вероятно, применялись ещё раньше.

Подъём в развитии поршневых насосов наблюдался в конце 18 в., когда для их изготовления стали применять металл и использовать привод от паровой машины. В начале 18 в. английский изобретатель Т. Ньюкомен (1663-1729) создал поршневой насос для подъема воды в руднике, применив для его привода паровой цилиндр, необходимая сила на штоке которого создавалась за счет атмосферного давления.

В России широкому внедрению насосов способствовал выдающийся русский гидротехник и изобретатель К.Д. Фролов (1726-1800). Работая с 1763 г. на Змеиногорском руднике (Алтай), он создал систему заводских гидросиловых установок для привода рудоподъемных машин и поршневых насосов, использовавшихся при водоотливе из шахт и промывке россыпей.

С середины 19 в. начали широко внедряться в производство паровые прямодействующие поршневые насосы. У этих насосов поршень гидравлического цилиндра соединен общим штоком с поршнем парового цилиндра.

Область применения и назначение.

Использовать поршневые насосы можно для перекачки бензина, воды, нефти и различных масел, если необходимо создать большой напор.

По роду насосы могут быть нефтяные (для перекачки нефтепродуктов), цементировочные (для перекачки цементного раствора), также для транспортировки воды или сжиженных газов.

В настоящее время поршневые насосы используются в системах водоснабжения, в пищевой и химической промышленности, в быту. Диафрагменные насосы используются, например, в системах подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Рисунок 1. Принцип действия поршневого насоса и описание конструкции.

насос поршень давление скорость

В качестве простейшего образца работы любого современного поршневого насоса, может служить рабочий цикл простой одноступенчатой гидравлической машины, состоящей из цилиндрической рабочей камеры с двумя отверстиями напорным и всасывающим и совершающего внутри нее возвратно-поступательные движения поршня. Для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное конструкцией предусматривается кривошипно-шатунный механизм.

Всасывание жидкости в таком устройстве происходит за счет создания в рабочей камере низкого давления во время движения поршня вправо при закрытом нагнетательном клапане, а напор перекачиваемой жидкости открывает всасывающий клапан и рабочая камера полностью заполняется.

Затем при возвратном движении поршня, в цилиндре создается избыточное давление. Всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается для подачи, за счет чего и происходит процесс нагнетания или вытеснения жидкости, равной объему рабочей камеры, в напорный коллектор трубопровода.

Техническое задание

Спроектировать поршневой насос по заданным параметрам:

Давление нагнетания P=40МПа

Подача - Q=70 л/мин.

Частота вращения приводного вала n_об= 200 об/мин.

Объемный КПД - 0.9.

1. Предварительный конструкторский расчет основных параметров насоса

Определим теоретическую подачу насоса по формуле:

Где принимаем

Q_т=77,78 л/мин или Q_т=4,62 м³/ч

Исходя из заданной частоты вращения n, определяем рабочий объем насоса:

q==12.8*10^-5

q=0.000128 м³

Для предварительного расчета воспользуемся соотношением хода поршня и диаметра поршня i=h/d=1-1.5(1.1), определяем диаметр поршня по формуле:

d=

d==0.036 м

Полученное значение диаметра округляем до подходящего по ГОСТ 12052-90 значение d=40 мм

Используя соотношение (1.1) определяем ход поршня h:

h=1.1d=44 мм

Полученное значение h округляем до подходящего по ГОСТ 12052-90 значения: h=40 мм

При таком диаметре и ходе поршня подача будет равна:

q₁=*0.04*3=15.1*10^-3м³

Погрешность от заданной величины составит:

Длина кривошипа r находится по формуле:

h=2r>r===20мм

Длину шатуна принимаем из соотношения =0.2

l=

Найдем угловую скорость:

щ===c^-1

Найдем площадь поршня:

F===12.56*10^-4м³

Определяем длину цилиндра:

l_ц=0.1d+h+(1.5ч2)d

l_ц=0.1*0.04+0.04+1.8*0.04=0.116 м

Определяем длину поршня:

l_п=h+(1.6ч2.2)d

l_п=0.04+1.9*0.04=0.116 м

Диаметр штока примем равным:

d_шт=0.2d

d_шт=0.2*0.04=8*10^-3м

Для определения диаметров всасывающего патрубка d₁ и нагнетательного патрубка d₂ напишем уравнение расхода:

Q=?₁= ?₂

Отсюда

d₁==0.014 м

d₂===0.01 м

Где ?1 - скорость жидкости во всасывающем патрубке насоса,

-скорость жидкости в нагнетательном патрубке насоса.

Обычно принимают =1-2 м/с и =1.5-2.5 м/с.

2. Расчет кинематических параметров насоса

2.1 Перемещение поршня в цилиндре

Уравнения перемещения поршня имеет вид:

где

Иногда это выражение упрощает, принимая шатун бесконечно длинным, и получают выражение:

График перемещения поршня в зависимости от угла поворота кривошипа

Рисунок 2

Где y - угол поворота кривошипа.

Аналогично определяем перемещения для двух других поршней и строим графики.

Рисунок 3

2.2 Скорость поршня в цилиндре

Текущая скорость поршня в цилиндре определяется как первая производная по времени.

Если угол г выражен в радианах, то:

Отсюда находим при принятом допущении:

С учётом конечной длины шатуна:

График изменения скорости поршня в зависимости от угла поворота кривошипа.

Рисунок 4

Где y - угол поворота кривошипа.

График изменения для трёх поршней в зависимости от угла поворота кривошипа.

Рисунок 5

2.3 Ускорение поршня в цилиндре

Взяв первую производную от скорости поршня по времени, получим ускорение поршня:

Поскольку =щ, имеем:

С учётом конечной длины шатуна:

График изменения ускорения поршня в зависимости от угла поворота кривошипа

Рисунок 6

График изменения скорости для трёх поршней в зависимости от угла поворота кривошипа.



Рисунок 7

2.4 Подача и её неравномерность

В правильно работающем насосе жидкость непрерывно следует за поршнем.

Объем жидкости, подаваемой в каждый данный момент Q_мг равен мгновенной скорости поршня умноженной на его площадь. Площадь поршня величина постоянная, следовательно, подача жидкости насосом изменяется так же, как изменяется скорость поршня.

График изменения подачи жидкости в зависимости от угла поворота кривошипа.



Рисунок 8

График изменения подачи в зависимости от угла поворота кривошипа для трёх поршней.

Рисунок 9

3. Динамический расчёт

Рисунок 10

На поршень в цилиндре насоса действуют следующие силы:

1) Гидростатическое давление P;

2) Сила инерцииF_ин;

3) Сила тренияF_тр;

4) Сила тяжестиG.

3.1 Гидростатическое давление

Как видно по графику подача жидкости от 0 до р отсутствует, затем поршень переходит в режим нагнетания, при этом давление возрастает до 40 Мпа и начинается подача жидкости.

График может выглядеть иначе, наклон линии повышения давления зависит от времени, могут иметь место всплески давления в начале хода всасывания и в начале хода нагнетания вследствие запаздывания открытия и закрытия клапанов насоса.

Давление жидкости на поршень находится по следующей формуле:

P=p*

Где р заданное давление равно 40 Мпа.

P= 40000000 * = 50240 Па

3.2 Сила инерции

Сила инерции движущихся частей равна произведению массы этих частей на их ускорение:

F_ин=m*j=m*щ²r(cos(y))

Для обеспечения высокой прочности в качестве материала поршня будем использовать сталь 45(с=7780 кг/м³).

Массу найдем, используя формулу:

m=Vс = FL_п * с

m=Vс = FL_п * с=12.56*10^-4*0.116*7780=1.134кг

График изменения силы инерции поршня в зависимости от угла поворота кривошипа.

F1(y) = m*щ²r(cos(y))

График изменения силы инерции трех поршней в зависимости от угла поворота кривошипа.

F2(y) = m*щ²r(cos(y)

F3(y) = m*щ²r(cos(y))

3.3 Мощность и крутящий момент

Теоретическая (индикаторная) мощность насосаN, находится как произведение давления на теоретическую подачу:

N_т=?p*Q_т

Где

?p=40-0.1=39.9 Мпа

N_т=39900000*0.000128=5107.2 В

Теоретический момент поршня на валу найдем по формуле:

М_т

М_т=243.979 Н*м

График изменения крутящего момента поршня в зависимости от угла поворота кривошипа

График изменения крутящего момента трех поршней в зависимости от угла поворота кривошипа

4. Прочностный расчёт

4.1 Расчёт поршня на прочность

Плунжера для высоких давлений изготавливаются из кованой стали. Рабочая поверхность плунжера подвергается шлифовке и часто полируется. Она должна иметь большую твердость. В противоположность для поршня наружным давление является p_i.

Толщина стенки е поршня определяем по формуле:

е=

Где D-диаметр цилиндра

_м-допускаемое напряжение для стали 45

е==20.125 мм

4.2. Расчет вала на кручение.

Суммарный крутящий момент: М_к=243.979 Н*м

Допускаемое напряжение кручения для стали =280 Мпа

Полярный момент сопротивления сечения вала:

W_к==8.714*10^-5м³

Минимальный диаметр вала:

D_min=

D_min==0.076 м

Размещено на Allbest.ru

...