Министерство образования и науки Украины
Севастопольский национальный технический университет
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по дисциплине
“ГИДРАВЛИКА, ГИДРО- И ПНЕВМОПРИВОДЫ”
По выполнению расчётно-графических заданий №2
для студентов дневной формы обучения
и контрольных работ
для студентов заочной формы обучения
специальности 7.090258
“Автомобили и автомобильное хозяйство”
Севастополь
2007

УДК 629.114.6
Методические указания по дисциплине ”Гидравлика, гидро- и пневмоприводы” по выполнению расчетно-графических заданий для студентов дневной формы обучения и контрольных работ для студентов заочной формы обучения специальности 7.090258 ”Ав-томобили и автомобильное хозяйство”/ Сост. Ю.Л. Рапацкий.- Севастополь: Издательство СевНТУ, 2001.-19с.
Целью методических указаний является оказание помощи студентам специальности ”Автомобили и автомобильное хозяйство” при изучении дисциплины “Гидравлика, гидно- и пневмоприводы” и самостоятельном выполнении расчетно-графических заданий студентами дневной формы обучения и контрольных работ заочниками.
Методические указания предназначены для студентов специальности 7.090258 ”Автомобили и автомобильное хозяйство” дневной и заочной форм обучения. Могут также использоваться студентами дневной и заочной форм обучения специальностей 7.090202 ”Технология машиностроения” и 7.090203 ”Металлорежущие станки и системы” при изучении ими соответствующих разделов аналогичной дисциплины.
Методические указания рассмотрены на заседании кафедры АТПП (протокол №4 от 29.12.2001 г)
Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.
Рецензент: Харченко А.О. канд. техн. наук, доцент кафедры Машиностроения и транспорта, Заслуженный изобретатель Украины.

Выбор вариантов на расчетно-графические задания для студентов дневной формы обучения и на контрольные работы для заочников.
Студенты дневной формы обучения выполняют в течение семестра два расчетно-графических задания (РГЗ). Выбор вариантов – по последней цифре номера зачетной книжки. РГЗ оформляются в соответствии с действующими стандартами Украины для текстовых документов на стандартных листах А4. Допускается оформление РГЗ на листах в клетку, а схем и чертежей – на миллиметровой бумаге. Рекомендуется использовать ПЭВМ для оформления РГЗ, в том числе целесообразно выполнять расчеты с применением одного из доступных математических пакетов Maple и Mathcad.
Защита студентами выполненных РГЗ приводится индивидуально, на консультациях, после проверки преподавателем правильности расчетов и оформления РГЗ.
РГЗ №1 должно быть выполнено на 10-11-й неделе семестра, а РГЗ №2 на 12-13-й неделе.
РГЗ №2 включает в себя задачу №1 (каждый студент решает два варианта задачи №1 в соответствии с таблицей Б1, а также задач №2.
Таблица Б1
Номера вариантов задачи №1 для второго РГЗ
По результатам решения задачи №1 предложить конструкцию дросселя и изобразить её графически.
При решении задач №3 и 4 конструкцию насоса необходимо изобразить графически.
Студенты заочной формы обучения выполняют одну контрольную работу, в которую входят все задачи, которые включены в РГЗ №1 и РГЗ №2. Выбор вариантов осуществляется аналогично приведённому выше.
Задача I
К штоку поршня I гидроцилиндра 2 приложена постоянная нагрузка Р.
Перемещение поршня гидроцилиндра осуществляется напором рабочей жидкости плотностью ρ = 0,88^.103 кг/м3 под давлением Рн ? развиваемым насосом. Поршень I и его шток уплотнены резиновыми манжетами шевронной формы.
Спроектировать гидропередачу обеспечивающую перемещение штока (вычертить схему гидропередачи, определить полезную мощность гидронасоса Nн, предельные эффективные площади сечения дросселя регулятора Sp min и Sp max, внутренний диаметр гидроцилиндра Dr), имея ввиду, что скорости перемещения поршня вправо устанавливаются дросселем, регулирующим скорость в пределах от Vmin до Vmax. Предложить конструкцию дросселя регулятора (эскиз). При этом к.п.д. гидропередачи при скорости перемещения поршня Vn = Vmax, в случае установки лросселя последовательно, но должен быть меньше 0.6. Коэффициент расхода дросселя принять постоянным и равным μ = 0,4. Сопротивление гидромагистрали кроме сопротивления дросселя пренебречь.
Исходные данные:
Указания: 
Коэффициент поршневого действия гидропередачи при скорости Vc=Vmax определён следующим образом:
 (1)
где Q-расход на насосе.
Полезная мощность гидронасоса:
N_H = P_H Q (2)
С другой стороны расход при известном к.п.д. (выражение I) определяется как:
Qmax = Vmax S1 (3)
Qmin = Vmin S1 (4)
где S1 – площадь цилиндра, рассчитанная при Vn = Vmax. Этот же расход поступает в рабочую полость гидроцилиндра.
В случае установки дросселя последовательно, в гидроцилиндр, расход пропорционален сечению дроссельного отверстия, т.е.
Qдр = Q = μ Sдр  (5)
где Sдр – одно из двух значений сечения дросселя; sp – перепад давлений на дросселе.
Если дроссель установлен последовательно на входе, то ΔP = P_H – P_1,
где P1 – давление в бесштоковой полости гидроцилиндра, которое может быть найдено из уравнения силового баланса:
P₁S₁ = P₂S₂ + + T (6)
где Т – сила трения в манжетах, которая для манжет шевронного типа равна:
T = π D h τ (7)
где D – диаметр уплотнения; h – толщина уплотнения h = 0.2 Dr; τ – напряжение трения манжет τ = 0,22 МПа.
В уравнении (5), поскольку мы пренебрегаем сопротивлением магистрали, ρ2 = 0, т.е. второй член суммы равен 0.
В случае установки дросселя последовательно на выходе Δ ρ = ρ₂, т.к. мы пренебрегаем сопротивлением магистрали за дросселем.
Уравнение же силового баланса для этого случая запишется следующим образом:
P_HS₁ = P₂S₂ +  + T (8)
В случае установки дросселя параллельно уравнение силового баланса принимает следующий вид:
P_HS₁ =  + T (9)
Часть жидкости от насоса попадает в цилиндр. Расход этой жидкости равен:
Q_Ц = Vmax S₁ (10)
Часть жидкости сливается через дроссель. Расход равен:
Q_ДР = μ S_ДР  (11)
Причем Δ P = P_H
Насос следует выбирать из условия обеспечения максимальной скорости движения поршня, имея ввиду, что
Q_H = Q_Ц + Q_УР (12)
Максимальная скорость будет очевидно при S_ДР = 0, а минимальной соответствует соотношение:
S₁Vmax = S₁Vmin + μ S_ДРmax  (13)
Задача 2
Скорость ротационного гидромотора регулируется установкой дросселя регулятора на выходе гидромотора (Рис. 2)

Рис. 2
Гидромотор удельной производительностью g развивает на выходном валу максимальный момент M [Нм]. В качестве привода гидромотора используется гидравлический насос. Давление рабочей жидкости, в качестве которой используется масло индустриальное плотностью ρ = 0,88^.10³ кг/м³, равно 3,9 МПа = 3,9^.10⁶ Н/м².
Спроектировать гидропередачу, обеспечивающую скорость ротационного гидромотора в пределах от n_max до n_min . Вычертить схему гидропередачи. Определить полезную мощность гидронасоса N_H и максимальный к.п.д. η_max гидропередачи. Определить эффективные площади сечения дросселя регулятора S_ДРmin при n_min и S_ДРmax при n_max. Коэффициент расхода дросселя принять постоянным и равным μ = 0,4. Сопротивлением гидромагистрали кроме сопротивления дросселя пренебречь. Указать возможность повышения к.п.д. гидропередачи.
Исходные данные
Указания
Для ротационного гидромотора справедливо следующее соотношение:
M = (14)
где Δp – период давления на гидромоторе, равный разности давлений Δp = p_H – p, где p_H – давление, развиваемое насосом, р – давление на выходе гидромотора – перед дросселем.
Следовательно:
Pн - Р = (15)
Максимальный к.п.д. гидропередачи вычисляется по следующему выражению
max = = (16)
Где N_выхmax – максимальная мощность на выходе гидропередачи (максимальная мощность гидромотора); N_вхmax – максимальная мощность на выходе гидропередачи, равная полезной мощности гидронасоса; Q_Hmax – максимальный расход гидронасоса.
Из условия работы гидропередачи с максимальным к.п.д. при заданных параметрах двигателя и привода следует, что весь расход рабочей жидкости, подаваемой насосом в систему, должен полностью потребляться гидромотором без слива жидкости через перепускной клапан. Поэтому максимальный расход гидронасоса должен выбираться из условия:
Q_Hmax = Q_ДВmax = n_maxg (17)
Этот же расход протекает через дроссель. Площади сечения дросселя регулятора определяются из соотношения
Q_ДР = μ_ДРS_ДР  (18)
где Q_ДР – расход жидкости через дроссель; Δp_ДР – перепад давлений на дросселе;
Поскольку мы пренебрегаем сопротивлением гидромагистрали, кроме сопротивления дросселя, которое учитывается коэффициентом расхода Δp_ДР = p.

Задача №3
Работает плунжерный перекачивающий насос, обеспечивая подачу материала на высоту Н и его фильтрацию (см. рис. 3). Плунжер гидронасоса совершает возвратно-поступательные перемещения от пневмоцилиндра работающего от сети с воздушным давлением P_B = 0,5 МПа, обеспечивая частоту перемещения Z двойных ходов в минуту. За один двойной ход по нагнетательному тракту нагнетается объём жидкости, равный объёму полости А. Скорость перемещения материала плотностью ρ и вязкостью υ по нагнетательному трубопроводу принять равной V = 5 м/с.
Насос работает следующим образом. При движении поршня пневмопривода вверх, жидкость через привычный патрубок, гибкий шланг, приёмный клапан поступает в полость А, в которой давление меньше атмосферного. При следующем движении поршня вниз приёмный клапан закрывается, открывается промежуточный клапан и жидкость вытесняется из полости А в плунжерную полость, затем по трубопроводу – наружу. При последующем движении поршня вверх оставшаяся жидкость также вытесняется наружу.
Определить основные конструктивные параметры гидронасоса и пневмоцилиндра: внутренние диаметры гидроцилиндра и пневмоцилиндра Dr, Dn_H, условный проход нагревательного трубопровода Dy, полезную мощность насоса N_H, пренебрегая потерями во всасывающем тракте, полагая, что полость А при всасывании заполняется на 100%, а потери давления по нагнетательному тракту происходят в 9-ти местных сопротивлениях (обозначены цифрами) по длине трубопровода. Насос должен обеспечивать производительность Q при давлении слива – Pсл. Подсчитать гидравлический к.п.д. насоса. Оценить гидропривод с точки зрения к.п.д. Указать возможность повышения к.п.д.
Условные обозначения:
Н – высота подъёма материала при положении насоса внизу, м;
P_B – давление воздуха в воздушной магистрали, МПа;
Z – число двойных ходов в минуту поршня пневмоцилиндра и совмещённого с ним плунжера гидронасоса;
V – скорость жидкости в нагнетательном трубопроводе, м/с;
ρ – плотность перекачивания жидкости, кг/м²;
ν – вязкость перекачиваемой жидкости, м²/с;
λ – коэффициент Дарси (коэффициент, учитывающий потери давления по длине трубопровода);
Q – производительность гидронасоса, м³/с;
Р_СЛ – давление слива (на выходе нагнетательного трубопровода), МПа;
Величину хода поршня принять Hn = 5Dy.
Исходные данные
Указания:
Полезная мощность насоса, совершающего работу по подъёму жидкости на высоту Н при давлении слива Р_СЛ равна:
N_H = P_H ^. Q (19)
где P_H – давление, развиваемое насосом.
Давление Р_Н создает давление подъёма жидкости Р_n = ρgh, обеспечивая необходимое давление слива Р_СЛ, а также расходуется при преодолении жидкостью местных сопротивлений, т.е.
P_H = ρgh + P_СЛ + ΣΔP (20)
где ΣΔP – суммарная потеря давления;
Скорость движения жидкости по трубопроводу определяется из соотношения:
Q = V^.S (21)
где S – площадь сечения трубопровода диаметром Dy.
Потери давления в нагнетательном тракте складываются из потери давлений по длине и потерь в местных сопротивлениях. К местным сопротивлениям относятся сопротивления внутренней конструкции плунжерного насоса, т.е. 1, 2, 3, 4, 5, 6, а также сопротивления трубопровода 7, 8, 9. К потерям по длине относятся потери на вертикальном участке трубопровода диаметром Dy, длину L которого упрощённо можно принять равной H.
Потери по длине зависят от режима течения жидкости: ламинарного или турбулентного. Движение, как известно, носит ламинарный характер, если выполняется условие Re =< 2300, свыше этого значения носит турбулентный характер. Критерий Рейнолдса равен:
Re = (22)
где V_i – скорость жидкости в i-том сечении; d – диаметр i-того сечения; ν – нинокатическая вязкость жидкости.
Если режим течения ламинарный, то потери давления по длине трубопровода считаются по формуле Пуазейля:
Pa =     Q (23)
 Если режим течения турбулентный, то потери давления по длине трубопровода считаются по формуле Дарси-Вейсбаха:
Pa =    (24)
Для гидравлически гладких труб:
 = 0.315 Re -0.25 (26)
Потери давления в местных сопротивлениях подсчитываются по соотношению:
Pн = i  (27)
где ξ_i – коэффициент местных потерь (выбирается по приложению 1).
Скорость жидкости в i-том местном сопротивлении подсчитываются согласно условию неразрывности движения жидкости в гидравлическом тракте, т.е.:
Vi^.Si = V^.S (28)
Диаметр гидроцилиндра выбирается из соотношения:
W_ДВ.Х. ^. z/60 = Q (29)
Где W_ДВ.Х. – объём жидкости, вытесняемой плунжером насоса за один двойной ход.
Для гидронасоса с пневмоприводом справедливо соотношение:

D²_ПН ^. Р_В = Р_Н ^. Dr² (30)
Гидравлический к.п.д. насоса, т.е. к.п.д. без учета трения и объёмных потерь равен:
r = (31)
Задача 4
Определить конструктивные параметры всасывающего тракта плунжерного насоса (внутренний диаметр гибкого трубопровода D_ШП, внутренний диаметр гидроцилиндра D_Г, высоту подъёма плунжера Нп (рис. 3), если известно, что насос совершает z двойных ходов в минуту, перекачивая жидкость из приёмника глубиной h_M. Принцип работы насоса изложен в задаче №3. Скорость жидкости по гибкому рукаву – 1,5 м/с. Считать, что потери давления происходят в приёмном фильтре, в шланге по его длине и на его выходе в приемном клапане. Коэффициент Дарси принять равным λ = 0,017. Перекачиваемый материал – масло индустриальное плотностью ρ = 0,88^. 10³ кг/м³ и вязкостью ν = 29^.10^-6 м²/с. Коэффициенты сопротивления ξ – согласно приложению 1. Длина гибкого рукава L_ШП – 3 м. Производительность насоса должна быть равной Q м³/с. При исполнении конструктивно Dr принять равным 5D_ШП. Давление насыщающих паров жидкости принять равным 0,02^.10⁵ Н/м²;
Примечание: Ход поршня и плунжера H_П = 5Dy (рис. 3) относится к задаче №3. В задаче №4 эта величина искомая.
Исходные данные:
Указания
Во всасывающем тракте насоса подъём жидкости осуществляется за счет разности атмосферного давления и давления разряжения в полости А гидронасоса. Справедливо равенство:
Pатм = gh +  + P + P2 (32)
где Р₂ – статическое давление в полости А гидронасоса; Vr – скорость жидкости в полости А; ΣΔР – суммарные потери давления во всасывающем тракте насоса; Р_АТМ – атмосферное давление – 1,0^.10⁵ Н/м². Высота подъёма плунжера рассчитывается из условия обеспечения насосом заданной производительности при заданном числе двойных ходов:
Wдв.х.  = Q (33)
где Wдв.х. =  Hn (34)
W_ДВ.Х – объём жидкости при двойном ходе.
Полученное значение Н_П должно быть проверено. Поскольку расширение полости А происходит без изменения воздушной массы и температуры газа, то справедливо соотношение:
P_АТМ ^. W₁ = P₂ ^. W₂ (35)
Учитывая, что площадь полости А не изменяется в результате расширения
P_АТМ ^. Н₁ = P₂ ^. H_П (36)
где W₁ – первоначальный объём полости А до момента подъёма поршня; Н₁ – высота полости h, соответствующая W₁ (рекомендуется принять Н₁ = 0,01 м.)
Найденное с учетом (32) значение Н_П сравнивается с рассчитанным ранее значением Н_П.
Условие правильности расчета таково:
H_П^’ =< H_П (37)
В случае невыполнения условия (37) за высоту подъёма поршня (плунжера) следует принять Н_П^', соответственно пересчитать Dr. Однако следует иметь в виду, что рассчитанное по выражению (32) Р₂ не должно быть меньше давления насыщающих паров жидкости, т.е. должно выполняться условие:
Р₂ < P_Н.П.
В противном случае произойдет газовыделение из жидкости, нарушится сплошность течения и насос не сможет перекачивать жидкость. Это значит, что гидравлический всасывающий тракт выбран неверно. Здесь следует проанализировать уравнение (32) на предмет уменьшения составляющих его слагаемых, влияющих на P_A. Привести рассуждения относительно восстановления работоспособности насоса. Обосновать расчеты. Входящее в уравнение (32) ΣΔР рассчитывается аналогично описанному в задаче №3.

Приложение 1
Коэффициенты местных сопротивлений гидравлических трактов
Внезапное расширение ξ = (F₁/F₂)
Внезапное сужение ↓
При F₂/F₁<0,01ξ принять = 0,45
При расчете скорость V берётся в сечении F₂
Постепенное расширение (см. таблицу)
Постепенное сужение
1 =  (1 - ) - )
 - сопротивление
 входа в трубу
Проход через сетку
 = 1,3 (1 - ) + (  - 1)2
где Σf_o – сумма площадей отверстий; F – вся площадь сетки.
В задаче №4  принять равным 0,7 м/с.
Клапан шаровой
Примечание: В задаче №4 h/d принять равным 0,25