Расчеты по выбору гидронасосов систем автоматизации и управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчеты по выбору гидронасосов систем автоматизации и управления

Цели работы:

1) рассчитать необходимые подачу и рабочее давление гидронасоса и выбрать серийно выпускаемый промышленностью гидронасос для проектируемой системы автоматизации и управления;

2) определить мощность электродвигателя для выбранного гидронасоса системы автоматизации и управления.

Исходные данные для расчета по выбору гидронасоса

Расчеты по выбору типа гидронасоса систем автоматизации и управления

Определяется фактическая подача гидронасоса при всех одновременно работающих потребителях проектируемой системы управления с танка или робота по соотношению:

, (1)

где расход рабочей жидкости к исполнительным механизмам привода, л/мин.

Подставляя значения в формулу 1, получим:

Определяется необходимый рабочий объем гидронасоса:

По вычисленному по формуле (2) необходимому для проектируемого гидронасоса рабочему объему и по ГОСТ 13834-80 выбираются несколько (три-четыре) ближайших, но больших по значению, стандартных рабочих объёмов для гидронасоса. При см³ /об, согласно ГОСТ 13834-80 стандартные рабочие объёмы, которые могут быть приняты для гидронасоса, составляют (56), 63, 80 и 100 см³ /об.

Определяется максимальное рабочее давление гидронасоса с учетом возможных перегрузок по формуле:

, (3)

где - давление рабочей жидкости в системе автоматизации и управления на входе в исполнительные механизмы, МПа;

- полная потеря давления в системе автоматизации и управления от гидронасоса до исполнительных механизмов, МПа;

- коэффициент повышения давления в системе автоматизации и управления в результате срабатывания предохранительного клапана.

Принимаем, что:

= (0,06-0,10) МПа = 0,08 МПа,

= (1,15-1,30) = 1,2

Р₁ = 8,8 МПа

Тогда:

По полученным значениям рабочего объёма, максимальному рабочему давлению, по заданному номинальному числу оборотов и по номенклатуре серийно выпускаемых промышленностью гидронасосов, выбирается пластинчатый нерегулируемый гидронасос типа БГ12-25АМ по ТУ 2-053-1364-78Е. Этот гидронасос имеет следующие параметры:

- рабочий объём =80 см³ /об;

- номинальное давление Р_н.мах =12,5 МПа;

- номинальное число оборотов =1500 об/мин;

- объёмный кпд ;

- полный кпд .

Вычисляется фактическая подача выбранного гидронасоса по формуле:

где - рабочий объём выбранного гидронасоса, см³ / об,

- оптимальное (номинальное) число оборотов выбранного гидронасоса,

- объёмный КПД гидронасоса

Фактическая подача выбранного гидронасоса:

Проверяется неравенство:

,

Вычисляется мощность N_ПР.Н, кВт, на валу гидронасоса (приводная мощность) по формуле:



где - перепад давлений между линией нагнетания и линией всасывания гидронасоса, = Р₁ - Р_ВС, где Р₁ - давление нагнетания для выбранного гидронасоса и принимаем Р₁ = 12,5 МПа, а давление всасывания можно принимать Р_вс = - 0,03 МПа, тогда:

= 12.5 - (- 0,03)= 12,53 МПа

Подставим полученные значения в формулу 4:

2. Расчеты по выбору гидроцилиндров систем автоматизации и управления

Цели индивидуальной работы по выбору гидроцилиндров:

рассчитать согласно заданию и подобрать по соответствующим стандартам геометрические размеры для гидроцилиндра;

выбрать необходимый типоразмер гидроцилиндра, серийно выпускаемый промышленностью для системы автоматизации и управления.

Исходные данные для расчета по выбору гидроцилиндра

Расчеты по выбору типа гидроцилиндра

Выбираем стандартный по ГОСТ 6540-68 ход поршня из следующих значений (в миллиметрах): 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 56, 63, (70), 80, (90), 100, (110), 125, (140), 160, (180), 200,(220), 250, (280), 320, (360), 400, (450), 500, (560), 630, 710, 800, (900), 1000, (1120), 1250, (1400), 1600, (1800), 2000, (2240), 2500, 2800, (3000), 3150, (3350), (3550), (3750), 4000, (4250), (4500), 5000, (5300), (5600), (6000), 6300, (6700), (7100), (7500) 8000, 8500, (9000), (9500). В скобках приведены значения дополнительного ряда чисел, которые выбирают во вторую очередь. Для рассматриваемого примера определяем, что стандартная длина хода поршня L_СТ =800 мм =0,8 м.

Вычисляем приведенную длину хода поршня по формуле:

Определяют эффективную силу, Н, действующую на шток гидроцилиндра по формуле:

где - коэффициент, учитывающий потери на трение в гидроцилиндре, (пневмоцилиндре), который выбирают по таблице 3 (в работе [1]) в зависимости от значения полезной силы.

При ,

N₂ - сила, расходуемая на перемещение массы поршня, штока и одной третьей части массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах, Н. (При перемещении поршня вверх эта сила суммируется с силой , а при перемещении вниз - вычитается). В соответствии с заданием, N₂ = .

- сила инерции движущихся частей гидроцилиндра к соединенных с ним массы деталей и рабочей жидкости, Н. которую определяют по формуле:

где - приведенная масса подвижных частей гидроцилиндра, присоединенных к нему устройств и одной третьей части массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах (ориентировочно принимают, что , кг; для рассматриваемого примера:

а - ускорение перемещения подвижных частей гидроцилиндра и приведенной к нему массы, которое принимает два значения: а₁ - при перемещении штока в одном направлении (например, вверх) и а₂ - при перемещении штока в другом направлении и вычисляют по формулам:

где V₁ и V₂ - скорость перемещения штока в одном и в другом направлениях, м/с.

По заданию V₁= 0,47 м/с и V₂ = 0,658 м/с.

При L_ст=800 мм = 0,8м, подставляя значения в формулы 7 и 8, получаем:

Найденные значения подставляем в формулу 6, получаем:

Принимаем, что N_пр = 0 и N_сл =0, тогда эффективная сила, создаваемая гидроцилиндром для перемещения механизма руки робота вверх составит, согласно формуле 5:

Вычисляем диаметр поршня гидроцилиндра с односторонним штоком по формуле:

где - эффективная сила, действующая на шток гидроцилиндра, Н;

- давление рабочей жидкости в системе автоматизации и управления станка или робота, Па.

Это давление рабочей жидкости вычисляют или принимают по ГОСТ 6540-68 из следующего ряда давлений: 2,5; 6,3; 10; 16; 20; 25;32; 40; 50; 63 МПа.

Принимаем, что , тогда по формуле 9:

Выбираем диаметр поршня гидроцилиндра из ряда цилиндрических пар согласно ГОСТ 12447-80, которые имеют следующие значения: 1; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; (14); 16; (18); 20; (22); 25; (28); 32; (36); 40; (45); 50; (56); 63; (70); 80; (90); 100; (110); 125; (140); 160; (180); 200; (220); 250; (280); 320; (360); 400; (450); 500; (560); 630; (710); 800; (900); 1000 мм.

Для рассматриваемого примера определяем, что D = 50 мм, то есть внутренний диаметр гильзы и диаметр поршня гидроцилиндра равен 50 мм.

Проверяем соответствие между диаметром поршня гидроцилиндра и длиной хода поршня из условия устойчивости по таблице 1.

Таблица 1. Рекомендуемые соотношения между длиной хода и диаметром поршня гидроцилиндра

D, мм	Ход штока гидроцилиндра, Lст, мм
	200	400	600	800	1000	1250	1600	2000
45
56					Область неустойчивого
63						движения
80				Переходная
90				область
110
125
160		Область устойчивого
180		движения
200
250

Диаметр поршня гидроцилиндра D = 50 мм и ход поршня L_ст = 800 мм не укладываются в область устойчивого движения по таблице 1, поэтому необходимо в проектируемой системе автоматизации и управления станка (робота) предусмотреть дополнительную направляющую для увеличения устойчивости гидроцилиндра и всего подвижного устройства привода.

Вычисляем диаметр штока гидроцилиндра по приближенной формуле:



По выбранным геометрическим размерам гидроцилиндра, а именно: по диаметру поршня D, диаметру штока , ходу поршня L_ст определяем необходимый типоразмер гидроцилиндра.

ЦРГ32-50х25х800 УХЛ4

Определяем расход рабочей жидкости, необходимый для обеспечения перемещения штока гидроцилиндра с заданной скоростью, по формуле:

где - скорость движения штока гидроцилиндра, м/с, = 0,47 м/с;

- объемный КПД гидроцилиндра, который принимается равным 0,99;

D - диаметр поршня гидроцилиндра, м.

Для выбранных значений геометрических размеров гидроцилиндра расход рабочей жидкости (для его нормальной работы) должен быть не менее:

=

По полученному значению расхода рабочей жидкости выбираем необходимый тип гидронасоса. Выбираем гидронасос типа Г 12-24 M с номинальной подачей рабочей жидкости =70 л/мин.

Определяем максимальные значения скоростей перемещения поршня гидроцилиндра вверх V_1MAX и вниз V_2MAX по формулам:



где Q_H - подача рабочей жидкости выбранным гидронасосом, л/мин;

- объемный КПД гидронасоса, .

После подстановки численных значений в формулы 11 и 12 определяем, что:

Так как

то расчет закончен.

3. Расчеты по выбору гидравлических и пневматических трубопроводов систем автоматизации и управления

Цели индивидуальной работы по выбору гидравлических и пневматических трубопроводов:

определить диаметры трубопроводов (или рукавов высокого давления) проектируемой системы автоматизации и управления;

рассчитать потери давления на отдельных участках трубопроводов и суммарные потери давления по длине трубопроводов проектируемой системы автоматизации и управления.

Исходные данные для гидравлического расчета трубопроводов систем автоматизации и управления.

Номинальное давление рабочей жидкости в системе Р=6,3 МПа;

плотность рабочей жидкости = 900 кг/м³;

кинематическая коэффициент вязкости рабочей жидкости = (20ч40)*10^-6 м²/с.

Таблица 2. Исходные данные для гидравлического расчета трубопроводов систем автоматизации и управления

№ трубопровода	Назначение трубопровода для подачи рабочей среды	Длина трубопровода L, мм	Расход жидкости Q. л/мин
1	От бака рабочей жидкости до гидронасоса	600*(2-0,88)=672	86*0,88=75,68
2	От гидронасоса к гидрораспределителю	800*(2-0,88)=896	48*0,88=42,24
3	От гидрораспределителя к гидроцилиндру	450*(2-0,88)=504	40*0,88=35,2
4	От гидроцилиндра к гидрораспределителю	550*(2-0,88)=616	52*0,88=45,76
5	От гидрораспределителя к баку рабочей жидкости	400*(2-0,88)=448	97*0,88=85,36

Расчеты гидравлических трубопроводов

Расчет участка № 1. Трубопровод от бака рабочей жидкости до гидронасоса.

L=672 мм;

Q=75,68 л/мин;

= 900 кг/м³;

= 30*10^-6 м²/с.

Определение диаметра трубопровода.

Внутренний диаметр трубопровода рассчитывается по формуле:



где Q - расход рабочей жидкости по участку трубопровода, м/с;

V - скорость рабочей жидкости на участке трубопровода, м/с.

Для трубопроводов, присоединенных к гидронасосу на стороне всасывания, систем станков и роботов рекомендуется выбирать скорость движения жидкости, равной 0,5-1,5 м/с. Выбираем V=1 м/с. Подставляя в формулу 13 числовые значения, получим:

По вычисленному диаметру трубопровода выбираем трубопровод стальной бесшовный ГОСТ 8732-78 с параметрами:

Наружный диаметр трубопровода d_н=45 мм;

Внутренний диаметр трубопровода d_вн=39мм;

Толщина стенки трубопровода

Для выбранного трубопровода по его внутреннему диаметру d_вн, м, и по расходу жидкости вычисляется фактическая средняя скорость рабочей жидкости V_ф, м/с, по формуле:

Подставляя численные значения в формулу 14, получим:

Расчет гидравлических потерь по длине трубопровода.

Потери давления на трение по длине круглого трубопровода определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:



где l - длина трубопровода, м;

d - диаметр трубопровода, м;

V - скорость рабочей жидкости в трубопроводе, м/с;

р - плотность рабочей жидкости, кг/см³ (плотность минеральных масел, используемых в системах автоматизации и управления станков и роботов, составляет в среднем около 900 кг/м³);

- гидравлический коэффициент трения.

Гидравлический коэффициент трения выбирается по таблицам или рассчитывается по формулам в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе - ламинарного и турбулентного. Режим течения жидкости устанавливается экспериментально или по числу Рейнольдса Re (критерию Рейнольдса):

где V - скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с;

d - диаметр трубопровода, м (принимается фактический внутренний диаметр трубопровода);

- кинематический коэффициент вязкости рабочей жидкости, м²/с.

Для рабочих жидкостей (минеральных масел) систем автоматизации и управления станков и роботов можно принять, что = 20-40*10^-6 м²/с.

Подставим значения в формулу 16, получим:

Так как число Рейнольдса Re = 1374,1 < 2300, то режим движения жидкости в трубопроводе ламинарный и коэффициент трения для трубопроводов вычисляется по формуле:



Потери на трение, определяемые по формуле 15 составят:

Все расчеты по каждому участку трубопровода заносим в таблицу 3 для определения гидравлических потерь давления в трубопроводах.

Расчет участка № 2. Трубопровод от гидронасоса к гидрораспределителю.

L=896 мм;

Q=42,24 л/мин;

= 900 кг/м³;

= 30*10^-6 м²/с.

Определение диаметра трубопровода.

Внутренний диаметр трубопровода рассчитывается по формуле 13.

Допустимая скорость движения жидкости в трубопроводе выбирается в зависимости от давления в системе автоматизации и управления. Выбираем V=4,5 м/с. Подставляя в формулу 13 числовые значения, получим:

По вычисленному диаметру трубопровода выбираем трубопровод стальной бесшовный ГОСТ 8732-78 с параметрами:

Наружный диаметр трубопровода d_н=22 мм;

Внутренний диаметр трубопровода d_вн=15мм;

Толщина стенки трубопровода

Для выбранного трубопровода по его внутреннему диаметру d_вн, м, и по расходу жидкости вычисляется фактическая средняя скорость рабочей жидкости V_ф, м/с, по формуле 14:

Расчет гидравлических потерь по длине трубопровода.

Потери давления на трение по длине круглого трубопровода определяются по формуле 15.

Гидравлический коэффициент трения выбирается по таблицам или рассчитывается по формулам в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе - ламинарного и турбулентного. Режим течения жидкости устанавливается экспериментально или по числу Рейнольдса Re (формула 16).

Для рабочих жидкостей (минеральных масел) систем автоматизации и управления станков и роботов можно принять, что = 20-40*10^-6 м²/с.

Подставим значения в формулу 16, получим:

Так как число Рейнольдса Re = 1992 < 2300, то режим движения жидкости в трубопроводе ламинарный и коэффициент трения для трубопроводов вычисляется по формуле:

Потери на трение, определяемые по формуле 15 составят:

Все расчеты по каждому участку трубопровода заносим в таблицу для определения гидравлических потерь давления в трубопроводах.

Расчет участка № 3. Трубопровод от гидрораспределителя к гидроцилиндру.

L=504 мм;

Q=35,2 л/мин;

= 900 кг/м³;

= 30*10^-6 м²/с.

Определение диаметра трубопровода.

Внутренний диаметр трубопровода рассчитывается по формуле 13.

Допустимая скорость движения жидкости в трубопроводе выбирается в зависимости от давления в системе автоматизации и управления. Выбираем V=4,5 м/с. Подставляя в формулу 13 числовые значения, получим:

По вычисленному диаметру трубопровода выбираем трубопровод стальной бесшовный ГОСТ 8732-78 с параметрами:

Наружный диаметр трубопровода d_н=20 мм;

Внутренний диаметр трубопровода d_вн=13 мм;

Толщина стенки трубопровода

Для выбранного трубопровода по его внутреннему диаметру d_вн, м, и по расходу жидкости вычисляется фактическая средняя скорость рабочей жидкости V_ф, м/с, по формуле 14:

Расчет гидравлических потерь по длине трубопровода.

Потери давления на трение по длине круглого трубопровода определяются по формуле 15.

Гидравлический коэффициент трения выбирается по таблицам или рассчитывается по формулам в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе - ламинарного и турбулентного. Режим течения жидкости устанавливается экспериментально или по числу Рейнольдса Re (формула 16).

Для рабочих жидкостей (минеральных масел) систем автоматизации и управления станков и роботов можно принять, что = 20-40*10^-6 м²/с.

Подставим значения в формулу 16, получим:

Так как число Рейнольдса Re = 1915,33 < 2300, то режим движения жидкости в трубопроводе ламинарный и коэффициент трения для трубопроводов вычисляется по формуле:

Потери на трение, определяемые по формуле 15 составят:

Все расчеты по каждому участку трубопровода заносим в таблицу 3 для определения гидравлических потерь давления в трубопроводах.

Расчет участка № 4. Трубопровод от гидроцилиндра к гидрораспределителю.

L=616 мм;

Q=45,76 л/мин;

= 900 кг/м³;

= 30*10^-6 м²/с.

Определение диаметра трубопровода.

Внутренний диаметр трубопровода рассчитывается по формуле 13.

Допустимая скорость движения жидкости в трубопроводе выбирается в зависимости от давления в системе автоматизации и управления. Выбираем V=4,5 м/с. Подставляя в формулу 13 числовые значения, получим:

По вычисленному диаметру трубопровода выбираем трубопровод стальной бесшовный ГОСТ 8732-78 с параметрами:

Наружный диаметр трубопровода d_н=15 мм;

Внутренний диаметр трубопровода d_вн=22 мм;

Толщина стенки трубопровода

Для выбранного трубопровода по его внутреннему диаметру d_вн, м, и по расходу жидкости вычисляется фактическая средняя скорость рабочей жидкости V_ф, м/с, по формуле 14:

Расчет гидравлических потерь по длине трубопровода.

Потери давления на трение по длине круглого трубопровода определяются по формуле 15.

Гидравлический коэффициент трения выбирается по таблицам или рассчитывается по формулам в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе - ламинарного и турбулентного. Режим течения жидкости устанавливается экспериментально или по числу Рейнольдса Re (формула 16).

Для рабочих жидкостей (минеральных масел) систем автоматизации и управления станков и роботов можно принять, что = 20-40*10^-6 м²/с.

Подставим значения в формулу 16, получим:

Так как число Рейнольдса Re = 2158 < 2300, то режим движения жидкости в трубопроводе ламинарный и коэффициент трения для трубопроводов вычисляется по формуле:

Потери на трение, определяемые по формуле 15 составят:

Все расчеты по каждому участку трубопровода заносим в таблицу 3 для определения гидравлических потерь давления в трубопроводах.

Расчет участка № 5. Трубопровод от гидрораспределителя к баку рабочей жидкости.

L=448 мм;

Q=85,36 л/мин;

= 900 кг/м³;

= 30*10^-6 м²/с.

Определение диаметра трубопровода.

Внутренний диаметр трубопровода рассчитывается по формуле 13.

Для трубопроводов, соединяющих сливные полости гидроаппаратуры с баком рабочей жидкости, скорость движения жидкости принимается равной 1,40ч2,25 м/с. Выбираем V=2 м/с. Подставляя в формулу 13 числовые значения, получим:

По вычисленному диаметру трубопровода и по таблице 8 в работе [1] выбираем трубопровод стальной бесшовный ГОСТ 8732-78 с параметрами:

Наружный диаметр трубопровода d_н=38 мм;

Внутренний диаметр трубопровода d_вн=33 мм;

Толщина стенки трубопровода

Для выбранного трубопровода по его внутреннему диаметру d_вн, м, и по расходу жидкости вычисляется фактическая средняя скорость рабочей жидкости V_ф, м/с, по формуле 14:

Расчет гидравлических потерь по длине трубопровода.

Потери давления на трение по длине круглого трубопровода определяются по формуле 15.

Гидравлический коэффициент трения выбирается по таблицам или рассчитывается по формулам в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе - ламинарного и турбулентного. Режим течения жидкости устанавливается экспериментально или по числу Рейнольдса Re (формула 16).

Для рабочих жидкостей (минеральных масел) систем автоматизации и управления станков и роботов можно принять, что = 20-40*10^-6 м²/с.

Подставим значения в формулу 16, получим:

Так как число Рейнольдса Re = 1829,3 < 2300, то режим движения жидкости в трубопроводе ламинарный и коэффициент трения для трубопроводов вычисляется по формуле:

Потери на трение, определяемые по формуле 15 составят:

Все расчеты по каждому участку трубопровода заносим в таблицу 3 для определения гидравлических потерь давления в трубопроводах.

Таблица 3. Результаты расчетов гидравлических потерь на трение в трубопроводах

№ участка трубопровода	Длина трубопровода L, мм	Q2, л/мин	dвн, мм	Vф, м/с	Re		кПа
1	672	75,68	39	1,057	1374,1	0,054	0,468
2	896	42,24	15	3,984	1992	0,037	15,785
3	504	35,2	13	4,42	1915,3	0,039	13,293
4	616	45,76	15	4,316	2158	0,034	11,704
5	448	85,36	33	1,663	1829,3	0,040	0,675

Общие потери давления в трубопроводах, соединенных последовательно в системе автоматизации и управления, определяются путем суммирования потерь давления на всех участках.

мощность электродвигатель гидронасос поршень

Размещено на Allbest.ru

...