РГЗ гидропривод

Министерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный университет
Кафедра транспорта и хранения нефти и газа
ЗАДАНИЕ
на домашнюю работу по дисциплине «Гидро- и пневмопривод машин для строительства
газонефтепроводов и газонефтехранилищ»
Студенту группы
Тема: Составить принципиальную схему, выбрать оборудование, построить
статические и динамические характеристики гидропривода машины для
строительства газонефтепроводов.
2.Исходные данные:
Нагрузка на гидродвигателе: средняя M ср  800 Нм , максимальная M мах  1000 Нм ;
Скорость (частота вращения) гидромотора: минимальная 0, средняя ср  120 об / мин ,
максимальная max  150об / мин ;
Масса подвижных частей (момент инерции), приведенных к выходному звену
гидромотора: 1,5 кг/м 2 ;
Приведенные длины трубопроводов: всасывающего 2 м. _ , нагнетательного 10 м. _ ,
сливного 8 м. _ .
Предельные значения хода поршня гидроцилиндра_2 м;
Минимальный сброс через переливной клапан в долях от номинальной подачи насоса_1%;
Коэффициент расхода дросселя: 0,7.
Закон измерения усилия сопротивления приведенный к выходному звену
гидромотора:
 M ср при t  0
В динамике - M(t)  
0,8M 0сс при t  0
Время перехода на новый режим при внешнем возмущении t  0,2с.
Вид переходного процесса: апериодический с динамическим забросом не более 15% от
нового установившегося значения параметра.
3. Работа оформляется на компьютере и должна содержать бумажную и
электронную версии.
Примечание: Применить гидромотор вращательного действия.
Срок сдачи законченной работы
Руководитель работы_________________доц.
Дата выдачи задания
Вид движения выходного звена гидропривода – вращательный. Реверсирование
вращения затвора осуществляется с помощью реверсивного насоса. Системы дроссельного
регулирования обычно дешевле систем объемного регулирования, так как позволяют
использовать простые по устройству и дешевые насосы, но дроссельное регулирование
приводит к более низким КПД и значительному выделению тепла за счет безвозвратных
потерь на дросселе. При средней мощности привода до 3 кВт рекомендуется применять
дроссели с ручным управлением, до 5 кВт - дроссельные регуляторы потока, а при
мощностях выше 5 кВт - объемное регулирование.
При одном насосе и гидромоторе, благоприятных условиях охлаждения и больших
мощностях целесообразно применять замкнутую схему гидропривода с объемным
способом регулирования скорости.
Ориентировочно величину средней мощности привода можно вычислить по
формуле:
N
M

где М - средний момент на валу гидромотора, Нм;  - угловая скорость выходного звена
гидродвигателя при средней нагрузке, рад/с;  - ориентировочное значение КПД
гидропередачи.

 n
30

  120
30
 12,56 рад
N
M

с – средняя скорость гидромотора;

800  12,56
 12560 Вт
0,8
2
Анализ возможных гидравлических систем
Разомкнутая система циркуляции жидкости применяется в многодвигательном
гидроприводе с одним насосом. Поэтому выбираем замкнутую систему циркуляции
жидкости. Управление приводом должно осуществлять возможность дистанционного и
автоматического управления.
Достоинством замкнутой системы циркуляции является то, что давление при
всасывании значительно больше атмосферного, что
позволяет применять более
быстроходные и малогабаритные насосы, может быть любое направление потока в
кольцевой линии.
Рис. 1. Принципиальная схема гидропривода.
Работа привода
На рисунке (1) представлена гидравлическая схема проектируемого привода.
Вращение от асинхронного короткозамкнутого электродвигателя передаётся насосу 1 и
сидящему на одном валу с ним подпиточному насосу 5. Основной насос 1 с гидромотором
4 образуют замкнутую гидропередачу. Вспомогательный насос 5 предназначен для
3
покрытия утечек в гидроприводе. Масло засасывается из бака 8 насосом 5 через приёмный
фильтр7 и подаётся к линиям подпитки к обратным клапанам 3. Защита насоса 5 и фильтра
7 осуществляется предохранительным клапаном 6. При повышении давления в
гидропередаче выше установки предохранительных клапанов 2 они срабатывают, защищая
систему от перегрузки.
Выбор гидромотора вращательного действия
Инерционная нагрузка
Mu  JM
где

,
0
J M  1,5 кг  м 2 – момент инерции движущихся масс, приведённый к валу
гидромотора;
  12,56 рад с – средняя скорость гидромотора;
 0  0,2 с – время разгона гидромотора до заданной скорости;
M u  1,5
12,56
 94,2 Н  м .
0,2
Пиковая нагрузка:
М ип  М соmax  M и  1000  94,2  1094,2 H  м .
По полученным данным выбираем гидромотор МРФ-400/25М1
Каталожные данные гидромотора МРФ-400/25М1
- рабочий объем: qmk  0,4  10 3 м3;
- максимальное давление перед гидромотором p“ max = 25 МПа;
к
- пиковое давление перед гидромотором р м п = 32 МПа;
k
- номинальная угловая скорость вала  m  31,4рад/с;
- максимальная угловая скорость вала  км.мах = 47,1 рад/с;
- минимальная угловая скорость вала  км.min.= 0,52 рад/с;
к
- номинальный момент на валу М м = 1492 H·м;
- полный КПД мк  0,9 ;
к
 0,95 ;
- объемный КПД  ом
Проверяем условие выбора гидромотора:
4
М
к
м
0
≥ М с , где 1492 > 1094,2 H·м.;
 км.max   0   км.min , где 41,7 > 12,56 > 0,52 с-1, что удовлетворяет данным условиям.
Перепад давлений на гидромоторе при средней и максимальной нагрузках с
учетом, что в статике M м  M со ; M м max  M со max определяем по формулам:
p 
p м max 
2M м
2  800

 13,9 МПа ,
q м гм м 0,4  10 3  0,9
2M M max
2  1000

 17,4 МПа .
q м гм м
0,4  10 3  0,9
Давление в сливной магистрали принимаем p сл  p слk  0,7 МПа , определяем
давление на входе гидромотора:
p м  p м  pсл  13,9  0,7  14,6 МПа
p м max  p м max  pсл  17,4  0,7  18,1 МПа
Уточним объемный КПД гидромотора при средней нагрузке M со  800 Нм и
угловой скорости м  о  12,56 рад

 1

 ом
ом  1  
k
с
по формуле:
1
1
 p k 
  1
 14,6 31,4 
 1 мk ммо   1  
 1
  0,90
  0,95  18,1 12,56 
 pм  
Расход гидромотора при средней скорости  о  12,56c 1 и нагрузке M со  800 Нм
определим по формуле:
Qм 
q м м 0,4 10 3 12,56

 0,88 10 3 м 3 / с  53,2 л / мин
2ом
2  0,9
Выбор гидравлических устройств
Клапаны 2 обеспечивают защиту привода при перегрузках гидромотора и должны
быть настроены на давление рм max. Более точно давление открытия предохранительных
клапанов можно определить после расчета динамики системы.
р2=рм max=18,1МПа
Q2=Qм=53,2л/мин;
Выбираем предохранительные клапаны КПЕ-20, их параметры:
расход рабочей жидкости:
- номинальный 63 л/мин;
5
- минимальный 8 л/мин;
рабочее давление:
- минимальное 5 МПа;
- номинальное 32 МПа;
Обратные клапаны КО-50:
- условный проход 50 мм;
- номинальный расход 500 л/мин;
- номинальное давление 32 МПа;
- потери давления 0,2 МПа;
Фильтр ФГС32-05:
- номинальная пропускающая способность 63 л/мин;
- тонкость фильтрации 0,08 мм;
- условный проход 32 мм.
Расчет трубопроводов
Принимаем металлические круглые трубы. Задаемся предельными скоростями
течения: в нагнетательной гидролинии 3 м/с, сливной 2 м/с, всасывающей 1,2 м/с.
Определим диаметры трубопроводов нагнетательного, сливного и всасывающего
при угловой скорости вращения гидромотора 0= 12,56 рад/с:
DTH  2
Qм
0,88  10 3
2
 0,019 м;
u max
3,14  3
DTСС  2
Qм
0,88  10 3
2
 0,023 м;
u max
3,14  2
DTВВ  2
Qм
0,88  10 3
2
 0,03 м;
umax
3,14  1,2
Так как гидромотор реверсивный, диаметры трубопроводов на нагнетание и слив
 3мм , жидкость
принимаем одинаковыми, т.е. D  23 мм , на всасывании D
т
твс
принимаем – гидравлическое масло МГ-30 (ТУ38-10150-79),   890кг / м 3 .
Фактические скорости:
6
uTBC 
uT 
4Q м
4  0,88  10 3

 1,23 м / с;
 2 3,14  0,032
 DTBC
4Q м
4  0,88  10 3

 2,11 м / с;
 DT 2 3,14  0,0232
Числа Рейнольдса и коэффициенты гидравлического трения для ν = 30мм2/с = 3∙10м /с, где ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
5 2
Re T 
Re TВВ
uT DT
2,11  0,023
64
64
 1617,6; T 

 0,037
5

3 10
Re T 1617,6
;

uTBC DTBC
1,23  0,03


 1230; TBC  0,052

3 10 5

Потери давления:
- в нагнетательной гидролинии:
pTH  T 
2
lTH иТ
10
( 2,11) 2
 0,037
890
 3,18  10 4 Па  0,0318МПа ;
DT 2
0,023
2
- в сливной:
pсл  T 
2
lсл иТ
8
( 2,11) 2
 0,037
890
 2,54  10 4 Па  0,0254 МПа
DT 2
0,023
2
- во всасывающей:
2
l и
2
(1,23) 2
pвс  TВВ  вс ТВС  0,052
890
 0,233  10 4 Па  0,00233МПа

DTВВ
2
0,03
2
Выбор насоса и электродвигателя
Давление и подачу на выходе из насоса определим для средней нагрузки и
скорости:
pн  p м  pTH  14,6  0,0318  14,63 МПа;
Qн  Q м  Q13  Q14  Q15  Q12
Исходя из того, что утечки в предохранительных клапанах отсутствуют, требуемая
подача насоса равна:
Qн  Q м  53,2 л / мин  0,88  10 3 м 3 / с ;
7
Для выбора насоса составим табл.1.
Таблица № 1
Тип насоса
НАР 63/20
p нk ,
p нk max ,
нk
Q нk
q нk ,
МПа
МПа
рад с
л / мин
м3/с
20
25
157
89
6,3·10
 онk
 нk
0,95
0,89
-5
Параметр регулирования:
0,1   н  1; J нk  0,016кг  м 2
Определим объемный КПД для подачи Qн :
он

qk k p 
k
 1  (1  он
) н н нk 
2Qн pн 

1

63  10 6  157  14,63 
 1  (1  0,95)
2  0,89  10 3  20 

1
 0,94;
Определим мощность на валу насоса при средней нагрузке и угловой скорости
гидромотора
с
учетом,
что
для
проектируемого
привода
pнр  pн  pTBC  14,63  0,00233  14,632 МПа;
Полный КПД для средней нагрузки:
 н   нк 
N вн 
Qн pнр
н

он
0,94
 0,89 
 0,88 ;
к
он’
0,95
0,89  10 3  14,632  106
 14,8кВт
0,88
Емкость бака определим по трехминутной производительности насоса:
90 k k k
90
Wб 
qн н он 
63  10 6  157  0,89  0,25 м 3 .

3,14
Полученную величину округляем до ближайшего значения по ГОСТу - Wб  0,25 м 3
.
8
Для выбора электродвигателя составим табл.2
Таблица № 2
Тип
электродвиг
ателя
4А160М4У
З
N kэ ,
кВт
18.5
M Эk max
M Эk
sk ,
sкр ,
эс ,
J kэ ,
%
%
рад / с
кг / м 2
2,3
2,2
16,0
157
0,13
Момент на валу электродвигателя определяется по формуле:
N эk
18,5  103
k
Mэ 

 120,4 Вт
эс (1  S k ) 157(1  0,022)
Удовлетворяет условям
M эк  M и
120,4  94,2
N эk  1,1N вн
18,5  16,28
Скольжение при средней нагрузке:
N вн’ к
14,8
 S  (1  S к )  0,5  0,25 
 0,022  (1  0,022)  0,017 .
к
18,5
NЭ
Угловая скорость насоса при средней нагрузке
н  эс (1  S )  157(1  0,017)  154,3 рад / с
После выбора оборудования выполним расчет коэффициентов утечек и составим
таблицу 3.
Таблица № 3
S  0,5  0,25 
Оборудование
Формула
Числовые значения коэффициентов, м4∙с/кг.
аум =
Гидромотор
МРФ 400

q км   км  1

 1
к  к
2  314
,  p м  о м 
а ум 
0,4  10 3  31,4  1


 1  4,2  10 12
6 
2  3,14  25  10  0,95 
а ум 
63  10 6  157
 1  0,95  3,9  10 12
2  3,14  20  106
аун =
Насос
НА 63/20
q кн   кн
 1  ко н
к
2  314
,  pн


Расчет статических характеристик
Момент на валу насоса при средней нагрузке и средней угловой скорости
гидромотора по формуле
Mн 
N вн
н

14,8  103
 95,9 Hм .
154,3
Коэффициент трансформации момента, передаточное число и КПД гидропередачи
9
kм 
i
M м M со 800


 8,35;
M н M н 95,8
н н 154,3


 12,28.
 м  о 12,56

kм
8,35

 0,67 .
i
12,28
Уточенный полный КПД гидромотора при средней нагрузке по формуле
 м   мk
ом
k
  гм
м ом  0,89  0,9 / 0,95  0,87;
k
ом
КПД гидросети
с 
p мQ м
14,6  53,2

 0,92 .
p н Qн
14,63  53,2
КПД гидропередачи
   м  с  н  0,87  0,92  0,88  0,70 .
Значение КПД отличаются менее чем на 5%, следовательно, расчет сделан
правильно.
Построим механистическую характеристику, соответствующую средней скорости
вала гидромотора.
Параметр регулирования насоса определяется по формуле:
н 
2Qн
2  0,89  10 3

 0,61 .
qннон 63  10 6  154,3  0,95
Параметры холостого хода определим по формулам:
M мх 
qм
1
p м (1   гм м ) 
0,4  10 3  14,6  106 (1  0,9)  92,9 Нм;
2
2
p м х 
2M м х
2  92,9

 1,62 МПа;
q м гм м 0,4  10 3  0,9
p м х  p м х  pсл  1,62  0,7  2,32 Па
pнх  p м х  pн  1,62  0,0318  1,65МПа.
Пренебрегая скольжением на холостом ходу, определим объемный КПД насоса
онх
нk pн
 1  (1   )
 нн pнk
k
он
онх  1  (1  0,95)
Qнх  qн н
157  1,65
 0,993;
0,61  154,3  20
н
154,3
онх  63  10 6  0,61 
 0,994  1,53  10 3 м 3 / с .
2
2
10
Скорость холостого хода по формуле:
мх 

2
Qнх  pнх a yн  p м хa yм  
q мk
2
[1,53  10 3  1,65  106  4,2  10 12  2,32  106  3,9  10 12 ] 
3
0,4  10
 23,77 с 1
Точки с координатами (23,77; 0) и (12,56; 1000) определяют положение
механической характеристики для  н  0,61 .
Мехническая характеристика
Угловая скорость, рад/с
25
20
15
10
5
0
0
1000
Момент, Н·м
Скоростную характеристику построим по формуле для средней нагрузки
M м  M со  800 Нм
2
 2 
q мk
 м  k н нj   k  M с0  M MX a yM  a yH  a y14  a y15  
qн
 qм 
400  10 6
 2 
800  92,9(3,9  10 12  4,2  10 12 ),

154,3   нj  
6
3 
63  10
 0,4  10 
2
н  979,6 н  1,782.
Зону нечувствительности при м = 0 определим по формуле:
0 
1,782
 0,0018
979,6
11
Угловая скорость, рад/с
30
Скоростная характристика
25
20
15
10
5
0
0,00182
0,00999
0,01815
0,02632
Параметр регулирования насоса
12
Расчет динамических характеристик гидропривода
Расчет динамических характеристик гидропривода проведем при постоянном
значении параметра регулирования и изменении нагрузки на гидромотор, которая в данном
случае зависит от угловой скорости  м и коэффициента k с , характеризующего
сопротивляемость породы бурению и являющегося внешним возмущением. За исходный
режим принимаем работу привода при средней нагрузке
M м  M со  800Нм
и
 м   о  12.56c 1 .
Пренебрегая распределенностью параметров, примем pн ( t )  pм ( t )
Уравнение динамической характеристики асинхронного двигателя с учетом
 э (t )   н (t ) примет вид:
T1
dM э (t )
 M э (t )   (эс  н (t ))
dt
Уравнение нагрузки электродвигателя:
Jн
d м (t )
q k  (t )
q k p  (t )
 M э (t )  н н pн (t )  н вс н ,
dt
2гмн
2гмн
где J н  J kэ  J нk .
Уравнение нагрузки гидромотора:
Jм
d м (t ) q мk
qk

pн (t ) гмм  м pсл  гмм  k с (t ) м (t ) .
dt
2
2
Уравнение движения жидкости в нагнетательном трубопроводе, включая насос и
гидромотор:
q мk
W dpн (t ) qнk

 нн (t ) 
 м (t )  pн (t )a yм  a yн  a y14  a y15  .
Eп dt
2
2
Перепишем систему уравнений в безразмерном виде, обозначая M э (t )  M э M э (t )
;
н (t )  н  н (t ) ;
 м (t )   м  м ( t ) ;
pн ( t )  pн p н ( t ) ;
k с (t )  k со k с (t ) ,
и
вычислим
постоянные коэффициенты при средней нагрузке и угловой скорости гидромотора.
Тогда уравнение асинхронного двигателя примет вид
T1
dM э
 M э (t )  k1  k1н (t ) ,
dt
где
T1 
1
1

 0,04с;
c S кр 154,3  0,16
13
k1 
эс
Mн
M эк
120,4

 56,87.
k
S M н 0,022  95,9

Уравнение нагрузки электродвигателя после деления всех членов на коэффициент
при M э ( t ) :
dн (t )
 M э (t )  k 2 pн (t )  k 3 ,
dt
T2
где
( J нk  J эk )н (0,016  0,13)  154,3

 0,23с;
Mн
95,9
T2 
k2 
k3 
qнk  н pнр
63  10 6  0,61  14,632  10 6
 1,03 ;
2  0,9  95,9

2гм нM н
qнk  н pвс
63  10 6  0,61  2,33  103

 1,6  10 4  0.
2гмнM н
2  0,9  95,9
Уравнение нагрузки гидромотора после деления на коэффициент при p н (t ) :
d м (t )
 pн (t )  0,8M э (t ) ,
dt
T3
где
T3 
2J м м
2  0,13  12,56

 0,0019с;
k
q м pн гм м 0,4  10 3  14,63  106  0,9
Уравнение движения жидкости после деления на коэффициент при pн ( t ) :
T4
dpн (t )
 pн (t )  k 6н (t )  k 7 м (t )  0 ,
dt
где
Eж
EП 
1  Eж

DT'
ET
W
W
 (0,023) 2
4
T4 
10 
W
n
E п  a yi
1700  106
 1550 МПа;
23
1  1700
2  2  105
 ( DT' ) 2
4
lТП 
qн qм

2
2
63  10 6 0,4  10 3

 4,38  10 3 м 3 ;
2
2

0,00438
 0,348с;
1550  10 6  8,1  10 12

63  10 6  0,61  154,3
 7,96;
2  14,63  106  8,1  10 12
i 1
k6 
qнk  нэс
n
2 pн  a yi
i 1
14
k7 
q мk  м
n
2 pн  a yi

0,4  10 3  12,56
 6,83.
2  14,63  106  8,1  10 12
i 1
Введем относительный параметр регулирования '  ( t) / н , тогда при расчетном
значении ε(t)=εн=0,61, ε'=1
После вычисления постоянных коэффициентов система уравнений принимает вид:
d M э (t )
 M э (t )  56,87  56,87 н (t );
dt
d  н (t )
0,23
 M э (t )  1,03 p н (t )   ' ;
dt
d  м (t )
0,0019
 p н (t )  0,8M э (t )
dt
d p (t )
0,348 н  p н (t )  7,96 н (t )   '6,83 м (t )  0.
dt
0,04
Зададим начальные значения входных факторов k с  1и ε'=1. Приравнивая производные к
нулю, определим начальные параметры:
 но 
н 154,3

 0,982 ;
 эс 157
M эо  56,87  56,87  0,982  1,02 ; p но  1,07;
 мо 
1
1
(7,96   м о  p м о ) 
(7,96  0,982  1,07)  0,987 ;
6,83
6,83
Закон измерения усилия сопротивления приведенный к выходному звену гидромотора:

M cp при t  0
В динамике - M(t)  

0,8  M cp при t  0
Параметр регулирования примем ε = 1, тогда получим следующие графики:
Пример программы
15
P t ,Wн t ,Wм t ,M t
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
t
0.5
График 1 Совмещенные характеристики.
16