Расчет гидравлической системы

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского

"Харьковский авиационный институт"

Кафедра аэрогидродинамики











Расчет гидравлической системы

(расчётная работа по дисциплине "Гидравлика")





























Харьков 2010




Цель работы - расчёт гидравлических параметров элементов и системы в целом.

Метод расчёта - используется сетевой метод расчета. В основе метода лежит способ постепенного упрощения структуры системы путем суммирования влияния отдельных элементов. С этой целью выделяются структуры, содержащие последовательно и параллельно соединённые элементы (агрегаты, трубопроводы, рабочие цилиндры). Для каждой структуры выполняется расчёт характеристики, позволяющий заменить её эквивалентным участком простого трубопровода. После замены выделенной структуры её суммарной зависимостью переходят к следующему внутреннему параллельному контуру и таким образом выходят на простой трубопровод. Данный расчёт выполнен в первом приближении, так как для определения путевых потерь принят ламинарный режим течения. Учтены заданные местные сопротивления. В расчёте давлений влияние изменения геометрического и скоростного напоров не учитывалось.

Результаты расчёта ─ в качестве расчетной характеристики получена зависимость изменения перепада давления на насосе от подачи. Определены величины хода штоков рабочих гидроцилиндров, при которых обеспечивается их одновременное срабатывание за заданный промежуток времени, а также соответствующие расчётные значения расхода и давления жидкости, гидравлического коэффициента полезного действия системы.






Содержание



Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

Введение

1. Исходные данные

2. Гидравлический расчёт системы

2.1 Определение характеристик простых трубопроводов

2.2 Рабочие площади поршней силовых цилиндров

2.3 Коэффициенты К линий "Ш" и "Н" в контуре ABCD

2.4 Распределение подачи Q между линиями "Ш" и "Н"

2.5 Определение длины хода штоков цилиндров

2.6 Рабочая (расчётная) подача насоса

2.7 Характеристика гидросистемы

3. Построение характеристики насоса

4. Параметры рабочих циклов гидросистемы

Выводы

Список источников






Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов



 ─ диаметр поршней силовых цилиндров основной и носовой стойки, м;

 ─ диаметр штоков силовых цилиндров основной и носовой стойки, м;

 ─ диаметр всех трубопроводов, м;

 – ход штоков силовых цилиндров основной и носовой стоек, м;

 – расчётная длина i – того трубопровода, м;

– полезная и затраченная мощность гидропередачи, Вт;

 – усилие на штоке силового цилиндра уборки (вьшуска) основной стойки шасси, Н;

 – усилие на штоке силового цилиндра уборки (выпуска) носовой стойки шасси, Н;

 – давление в жидкости, Па;

 – число Рейнольдса;

 – расход в линии нагнетания гидросистемы, м3/с;

 – расход в линиях нагнетания основных и носового цилиндров, м3/с;

 – расход в линии слива гидросистемы, м3/с;

 – расход в линиях слива основных и носового цилиндров, м3/с;

 – площадь поршней силовых цилиндров основной и носовой стойки, м2;

 – время срабатывания системы, с;

 – скорость перемещения поршней силовых цилиндров, м/с;

 – перепад (падение) давления, Па;

 – коэффициент полезного действия системы (КПД);

 – кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с;

 – плотность жидкости, кг/м3;

ГС – гидравлическая система;

КПД – коэффициент полезного действия;

Линия "Н" – участок трубопроводов в контуре ABCD, обслуживающих носовую стойку;

Линия "Ш" – участок трубопроводов в контуре ABCD, обслуживающих основные стойки.




Введение



Гидравлические системы получили широкое применение в машиностроении, на транспорте, в технологических процессах и в других случаях.

Современные самолеты и вертолеты снабжены гидравлическими системами, выполняющими многие важные функции:

1) управление летательным аппаратом по всем направлениям (рулями высоты, направления, элеронами и др.);

2) управление взлётно–посадочными устройствами (шасси, механизацией крыла и др.);

3) послепосадочное торможение и управление на взлетно–посадочной полосе, управление реверсом тяги двигателей;

4) управление грузовыми люками, входной дверью и др.;

5) управление лопастями винтов самолетов и вертолетов и др.

Гидравлические системы – самые распространенные силовые системы ЛА. Это объясняется существенными преимуществами гидравлических систем по сравнению с электрическими, механическими, пневматическими и другими. Наиболее важные из них:

а) простота транспортировки энергии;

6) неограниченные кинематические возможности;

в) малый вес гидродвигателей на единицу мощности;

г) простота предохранения гидросистемы от перегрузок;

д) высокая эксплуатационная надежность.

Гидравлическая передача – комбинированная система, в которой одним из звеньев, обеспечивающих геометрические и кинематические связи, является жидкость. Принцип действия гидравлической передачи основан на текучести и практической несжимаемости жидкости. Скорость передачи гидравлического импульса составляет 1000 ... 1200 м/с. Этот параметр важен для управления быстротекущими процессами.

Типовая гидравлическая система состоит из агрегатов трех групп:

1. Энергетическая группа:

а) гидробаки;

б) насосы, насосные станции;

в) гидроаккумуляторы;

г) фильтры;

д) контрольные приборы.

2. Распределительная группа:

а) краны управления, согласования, регулирования;

б) обратные клапаны;

в) делители потока (синхронизаторы);

г) ограничители расхода (дозаторы);

д) дроссели;

е) мультипликаторы (преобразователи давления).

3. Исполнительная группа:

а) гидромоторы;

б) силовые цилиндры (поступательного и поворотного типа);

в) рулевые приводы;

г) гидроусилители;

д) тормозные устройства.

При проектировании гидравлической системы определяются:

1) гидравлические параметры элементов и систем в целом;

2) функциональные возможности системы в различных условиях;

3) параметры быстродействия, надежности и др.;

4) жесткостно–прочностные характеристики элементов;

5) акустические характеристики.

В данной работе определяются только гидравлические параметры элементов и системы в целом.






1. Исходные данные



В расчётной работе необходимо выполнить гидравлический расчёт упрощённой гидросистемы уборки (выпуска) трёхстоечного шасси самолёта в соответствии с заданным типом схемы 1 – I I (вариант 1, положение крана ГП – I I, рис.1 ).





Рис. 1. Схема 1 – I I (вариант 1, положение крана ГП – I I )



Насос роторного типа (Н) работает в постоянном режиме. Двухпозиционная гидропанель (ГП) направляет поток жидкости в верхнюю часть цилиндров (II положение золотника). Соответственно, жидкость из противоположных частей цилиндров через эту же панель вытесняется в гидробак (Б). Золотником можно управлять электрическим или механическим способом.

Для обеспечения нормальной работы насоса и всей системы в линии всасывания (трубопровод 1) установлен фильтр (Ф), назначение которого – очистка жидкости от механических примесей.

В случае аварийного засорения фильтра жидкость идет через параллельный трубопровод, т.к. противоперегрузочный клапан (ПК1) открывается при определенном перепаде давления на фильтре. В этом случае жидкость не фильтруется, но система работает.

Предохранительный клапан (ПК2) переключает часть подачи насоса на слив, если давление в линии нагнетания превысит предельную величину. Таким образом, клапан ПК2 предохраняет насос и трубопроводы от разрушения. В нормальном режиме работы системы клапаны ПК1 и ПК2 закрыты. Этот случай и подлежит расчету.

Жидкость по напорным трубопроводам поступает в рабочие цилиндры. При этом поршни со штоками под действием перепада давления перемещаются, преодолевая внешнее усилие. Движущиеся поршни вытесняют рабочую жидкость из противоположных частей цилиндров, при этом жидкость попадает в трубопроводы сливной магистрали, а затем через гидропанель (ГП) и трубопровод 9 – в бак.

Обратный клапан (ОК) на трубопроводе 9 открыт только при движении жидкости в бак, что препятствует попаданию воздуха в систему и непредусмотренному движению жидкости в обратном направлении.

Расход жидкости в линии нагнетания () и в линии слива () различен из-за влияния штоков. Рабочим процессом гидросистемы предусмотрена параллельная работа двух штоков цилиндров основного шасси с заданным перепадом давления на поршнях  и работа одного штока цилиндра носовой стойки шасси с перепадом давления , причём по условию задачи . На каждом штоке цилиндров основного шасси возникает усилие  и на штоке цилиндра носовой стойки усилие , которые подлежат определению.

Длины хода штоков  и  определяются по условию одновременного срабатывания всех силовых (рабочих) гидроцилиндров. Для обеспечения одинаковой скорости перемещения штоков в параллельных силовых цилиндрах линии "Ш" при возможном рассогласовании нагрузок на штоки установлены синхронизаторы (С).

Реальная гидравлическая система уборки (выпуска) шасси самолета значительно сложнее рассматриваемой, т.к. имеет дублирующие линии, элементы, повышающие надёжность, системы тонкого регулирования и управления и др.

Для подобных и более сложных гидравлических систем используется сетевой метод расчета. В основе этого метода лежит способ постепенного упрощения структуры системы путем учета взаимного влияния элементов. С этой целью производят вначале учет влияния последовательных и параллельных элементов (агрегатов, трубопроводов, рабочих цилиндров) самой внутренней структуры системы, после замены ее суммарной зависимостью переходят к следующему внутреннему контуру и таким образом выходят на простой трубопровод. В качестве характеристики системы может быть зависимость перепада давления на насосе от подачи .

Заданы следующие параметры гидросистемы:

 - кинематический коэффициент вязкости жидкости;

ρ=895 кг/м³- плотность жидкости;

0,50 МПа - перепад давления на поршнях силовых цилиндров;

t=65 с - время рабочего цикла;

Диаметры силовых цилиндров:



Dш=90мм, Dн=82мм



Диаметры штоков:



dш=40мм, dн=30мм



Значения эквивалентных калибров для местных сопротивлений, :

Фильтр –  Ф 340

Гидропанель –  ГП 300

Обратный клапан – ОК 280

Синхронизатор –  С 220

Длины указанных на схеме трубопроводов: (M)



l1= 6, l2= 4.8, l3= 4, l4= 1.5, l5= 2, l6= 1, l7= 1.5, l8= 2.8, l9= 2.5, l10= 3.5, l11= 4



Диаметр всех трубопроводов .

По заданным параметрам гидросистемы необходимо определить:

1) гидравлические характеристики трубопроводов, отдельных элементов и системы в целом;

2) величину хода штоков по условию одновременного срабатывания всех цилиндров;

2) характеристики насоса;

3) значения рабочего давления, подачи, мощности насоса, КПД гидросистемы и числа Re.

Расчёт выполняется в первом приближении. Для определения путевых потерь в трубопроводах принимаем ламинарный режим течения. Учитываются заданные местные сопротивления, потери в которых определяются по приведенным данным. Величинами геометрического и скоростного напоров пренебрегаем.




2. Гидравлический расчет системы



2.1 Определение характеристик простых трубопроводов



Простым трубопроводом называется трубопровод без разветвлений. В задании рассматриваются трубопроводы постоянного сечения. Рассмотрим отдельно линию всасывания и нагнетания и линию слива.

А. Линия всасывания и нагнетания

Путевые потери в трубопроводах являются результатом трения между слоями жидкости и определяются по формуле



, (1)



где  - коэффициент путевых потерь;

 - расчётная длина трубопровода, м;

 - диаметр трубопровода, м;

 - плотность жидкости, кг/м3;

 - средняя по сечению скорость потока, м/с.

Коэффициент путевых потерь  зависит от режима течения, числа Рейнольдса и шероховатости стенок трубы. Принимаем ламинарный режим течения, в этом случае



, (2)



где коэффициент . Большие значения соответствуют трубам с непрямолинейной осью, при наличии стыков, помятости сечения и т.д. Считаем, что эти факторы отсутствуют.




Число Рейнольдса



, (3)



где  - объёмный расход (подача) жидкости в трубопроводе, м /с.

Имеем расчетную формулу для путевых потерь давления:



.(4)



Таким образом, при ламинарном режиме характеристикой трубопровода является линейная зависимость от подачи. Для обобщения зависимости потерь давления удобно ввести следующее обозначение:



, (5)

. (6)



Значения  определяются для конкретных трубопроводов и сводятся в таблицу.

В линию простого трубопровода могут быть включены различные гидроагрегаты (фильтр, гидропанель) и поэтому необходимо учесть также потери давления от них. В приближенных расчетах можно воспользоваться статистическими данными для определения потерь в области местных сопротивлений. При весьма малых числах Re (Re<500) для местных сопротивлений потери давления описываются также практически линейной зависимостью от подачи, что позволяет объединить их с путевыми потерями, т.е. длина трубопровода формально увеличивается на некоторую величину.

Таким образом,




, (7)



где  определяется по исходным данным для указанных гидроагрегатов.

Если гидроагрегат установлен на границе трубопроводов, то его можно включать в любой из них. Если трубопровод разветвляется, то гидроагрегат относят к трубопроводу без разветвлений. Отметим, что длина некоторых трубопроводов определяется как с учетом синхронизатора (С), так и без него. Например, длина трубопровода 7 в линии "Ш" определяется с учетом синхронизатора, а в линии "Н" - без него.

Б. Линия слива

Как и в линии всасывания и нагнетания, потери давления в гидроагрегатах включаются в путевые потери линии слива методом эквивалентной длины. Гидропанель также учитывается в линии слива.

Формула для путевых потерь давления в трубопроводах линии слива аналогична:



, (8)



где  - объёмный расход жидкости в линии слива.

Обобщённая зависимость



. (9)



Результаты расчёта представлены в табл. 1.






Таблица 1 Характеристики простых трубопроводов

№ трубопровода

L геометрическая, м

L расчётная, м

А, Па∙с/м3

 1+Ф

6

9.4

2,06E+09

 2+ГП

4.8

7.8

1,71E+09

 3

4

4

8,76E+08

 4+ Синхр

1.5

2.7

5,91E+08

 5

2.0

2.00

4,38E+08

 6

1.0

1

2,19E+08

 7

1.5

1.5

3,28E+08

 7+ Синхр

1.5

2.7

5,91E+08

 8

2.0

2.0

4,38E+08

 9+ГП+ОК

2.5

8.3

1,82E+09

 10

3.5

3.5

7,66E+08

 11

4.00

4.00

8,76E+08



2.2 Рабочие площади поршней силовых цилиндров



Рабочие площади поршней силовых цилиндров со стороны нагнетаемой  и со стороны вытесняемой жидкости  отличаются на величину площади сечения штоков. В данном варианте задания



0.0063585 м2; (10)

0.0053025м2 (11)

0.00527834 м2; (12)

0.00457184 м2. (13)



2.3 Коэффициенты К линий "Ш" и "Н" в контуре ABCD



Объём вытесняемой из силового цилиндра жидкости отличается от объёма нагнетаемой вследствие наличия штоков с одной стороны поршней.

Коэффициенты






 (14)

 (15)



зависят от того, с какой стороны поршней нагнетается жидкость. В данном задании имеем



0.8024; (16)

0.8661. (17)



2.4 Распределение подачи Q между линиями "Ш" и "Н"



В контуре ABCD можно выделить две параллельные линии: линию "Н", обслуживающую силовой цилиндр носовой стойки шасси и линию "Ш" для силовых цилиндров основных стоек. Элементы линии "Ш" для левой и правой стоек симметричны. Участок линии "Н" состоит из последовательно соединённых элементов. В этом случае характеристики элементов суммируются путём сложения потерь давления при одном и том же расходе. Силовой цилиндр представлен эквивалентным сопротивлением, потеря давления в котором  не зависит от расхода со стороны линии нагнетания . При этом расход внутри цилиндра меняется от значения  в линии нагнетания на  в линии слива.

Запишем уравнение характеристики линии "Н":



, (18)

0,5E+0006 Па ;

= 2,47E+09 Па*с/м3; (19)






 - объёмный расход нагнетаемой жидкости в линии "Н".

Уравнение характеристики линии "Ш" учитывает наличие 2-х параллельных цилиндров:



, (20)

0,5E+0006 Па ;

= 1,35E+09Па*с/м3; (21)



 - объёмный расход нагнетаемой жидкости в линии "Ш".

Так как в точках A и D давления в линиях "Н" и "Ш" равны, имеем уравнение с двумя неизвестными  и :



. (22)



Запишем второе уравнение



. (23)



Пользуясь способом подстановки, получим



; 

;

. (24)



Так как задано, что , окончательно имеем




 0,35∙Q при .(25)



Аналогично получим



 0,65∙Q при . (26)



Отношение подач



1,857 (27)



Уравнение характеристики структуры ABCD при условии, что  имеет вид



. (28)



По аналогии с электрическим сопротивлением и проводимостью параллельно соединённых проводников имеем



, (29)



Откуда



. (30)



В результате получена характеристика участка линии ABCD как единого трубопровода, построенная по расходу в линии нагнетания Q, при этом трубопроводы линии нагнетания и линии слива рассчитаны по своим расходам.



2.5 Определение длины хода штоков цилиндров



При одновременном срабатывании всех цилиндров имеем уравнение:



. (31)



Задаём длину хода штока цилиндра основного шасси. Введём обозначения



 (32)

. (33)



Отношение  должно быть в пределах от 3 до 12, принимаем .

Из (31) имеем отношение длины к диаметру для цилиндра носового шасси:



. (34)



Очевидно, что если , получим запрещённое значение .

Таким образом, только если , имеем






, (35)

. (36)



Если же , то задаём длину хода штока цилиндра носового шасси:



 (37)



и принимаем .

Из уравнения (31) получим следующее соотношение



, (38)



Откуда



 0,69 м; (39)

0,984 м;. (40)



2.6 Рабочая (расчётная) подача насоса



После определения значений  и  находим действительные подачи в линиях.



1.337E-0004 м3/с;(41)

8.945E-0005 м3/с; (42)




Расходы в линиях слива "Ш" и "Н"



 1,07E-04 м3/с; (43)

 7,74637E-05 м3/с; (44)



Рабочая подача насоса



 2,23E-04 м3/с; (45)



Суммарный расход в линии слива



1,84E-04 м3/с; (46)



Отношение слива к подаче в системе в целом



0,83 (47)



2.7 Характеристика гидросистемы



Если система спроектирована по условию, что перепад давления на поршнях , движение поршней начинается одновременно после достижения указанного перепада давлений. В случае ламинарного течения имеем линейную зависимость перепада давления на насосе от расхода жидкости:



, (48)



где в положении крана I I




7,30E+09Па*с/м3. (49)



Прямую линию определяют координаты 2-х точек:

1) значение перепада давления  на насосе, равного перепаду давлений на поршнях, при равновесном состоянии неподвижных поршней, когда расход равен нулю;

2) значение перепада давления  на насосе при перемещении поршней из одного крайнего положения в противоположное за заданный промежуток времени.



2,13E+06Па при 2,23E-04 м3/с. (50)



График характеристики гидросистемы представлен на рис. 2.






3. Построение характеристики насоса



Обычно гидросистема проектируется "под насос" с известными характеристиками. Как правило, применяется гидроаккумулятор, предназначенный для поддержания давления в системе в заданном диапазоне при различных режимах и условиях работы.

В данном учебном расчёте необходимо определить характеристики насоса, обеспечивающие равномерную работу упрощённой гидросистемы без гидроаккумулятора при заданных условиях работы по температуре жидкости, времени срабатывания и т.д.

По характеристике гидросистемы определён расчётный секундный расход  и соответствующий перепад давления на насосе . С учётом внутренних утечек теоретическое значение подачи QТ проектируемого насоса объёмного типа при нулевом перепаде давления



, (51)



где  – параметр насоса, определяющий внутренние утечки.

Линейный график характеристики насоса определяют две точки. Первая точка – рабочий (расчётный) режим работы гидросистемы, вторая точка при нулевом перепаде давления на насосе , где расход



2,34E-04м3/с.



График характеристики насоса представлен на рис. 2.






Рис. 2. Характеристика гидросистемы и насоса






4. Параметры рабочих циклов гидросистемы



Гидравлические характеристики системы позволяют определить ход штоков цилиндров, подачу в линиях, рабочие усилия на штоках, мощность насоса на рабочем режиме, КПД системы и др. Рассматривается расчётный режим работы гидросистемы с расходом . Усилия на штоках силовых гидроцилиндров



3,18E+03 Н; (52)

2,64E+03 Н. (53)



Скорость перемещения штоков силовых цилиндров:



1,05E-02 м/с; (54)

1,69E-02 м/с. (55)



Полезная мощность гидропередачи  на рабочем режиме:



111,58 Вт. (56)



Мощность насоса на рабочем режиме:



475,15Вт. (57)



Коэффициент полезного действия гидравлической системы без учета КПД насоса определяется по полезной работе, производимой гидроцилиндрами:




0,2348. (58)



Число Рейнольдса находят по наибольшей скорости в гидросистеме:



, (59)



или



 (60)



В данном случае 496,38, что значительно ниже критического . Следовательно, поток во всех трубопроводах ламинарный.

Выше было показано, что на расчётном режиме работы системы насос будет работать в условиях кавитации, поэтому выход на расчётный режим невозможен. Там же перечислены возможные варианты устранения этого дефекта.






Выводы



В данной работе выполнен в первом приближении поверочный расчёт упрощённой гидросистемы уборки и выпуска трёхстоечного шасси самолёта с носовым колесом при заданных геометрических и динамических характеристиках.

В результате расчёта получены следующие основные характеристики гидросистемы:

1. Вследствие наличия штоков на одной стороне поршней силовых цилиндров при работе гидросистемы объём вытесняемой в линию слива жидкости  отличается от объёма нагнетаемой жидкости  в  раз, а именно:

0.8024– коэффициент K для цилиндра основного шасси;

 0.8661 – коэффициент K для цилиндра носового шасси;

0,83– отношение слива к подаче в системе в целом в расчётном режиме.

Это обстоятельство должно быть принято во внимание при назначении величины объёма гидробака системы.

2. При заданных значениях перепада давления на поршнях силовых цилиндров и условии одновременного перемещении поршней всех силовых цилиндров из одного предельного положения в противоположное следует принять следующую (максимально допустимую по условиям прочности) длину хода штоков:

0,69 м – ход штока цилиндра основного шасси, м;

0,984 м – ход штока цилиндра носового шасси, м;

3. На расчётном режиме отношение подачи жидкости в линию "Ш" к подаче в линию "Н"






1,857;



при этом

0,6– доля расхода основного шасси от общего расхода ;

0,4– доля расхода носового шасси от общего расхода .

4. Для обеспечения заданного времени срабатывания насос должен обеспечивать подачу жидкости с расходом 223 см3/с при перепаде давления на насосе 2.13 МПа. 

Развиваемая мощность насоса на расчётном режиме системы 475,15 Вт.

5. При заданных значениях диаметров поршней силовых цилиндров и заданном перепаде давления на них, без учёта потерь на трение, имеем следующие значения усилий на штоках:

2788 Н – усилие на штоке цилиндра основного шасси;

 2294 Н – усилие на штоке цилиндра носового шасси.

6. Скорость перемещения штоков, полезная мощность и КПД системы:

0,01 м/с – скорость перемещения штока цилиндра основного шасси;

0,01695 м/с – скорость перемещения штока цилиндра носового шасси;

111,58 Вт – полезная мощность силовых цилиндров системы;

0,2348 – КПД гидропередачи.

7. Режим течения жидкости во всех трубопроводах ламинарный.

8. Согласно выполненному расчёту имеем отрицательное абсолютное давление в жидкости на входе в насос, что физически невозможно. Следовательно, предложенная для расчёта схема гидросистемы является неработоспособной, т.к. гидронасос будет работать в условиях кавитации. Для устранения этого дефекта можно предложить следующие решения:

а) увеличить диаметр всасывающего трубопровода и уменьшить, по возможности, его длину; б) поставить фильтр не перед насосом, а после него;

в) применить наддув гидробака или дополнительный подкачивающий насос.

9. В расчёте второго приближения следует учесть влияние силы трения манжет в силовых цилиндрах, а также возможную разницу температур нагнетаемой и сливаемой жидкости, которая возможна вследствие охлаждения силовых цилиндров во время полёта.






Список источников



1. Грайворонский В.А. Расчёт параметров гидравлической системы /учебное пособие/ Xарьков, "ХАИ", 2008. – 28 с.

2. Баєв Б.С., Чмовж В.В. Гідравліка та гідравлічні системи літальних апаратів /навчальний посібник/ Xарків, "ХАІ", 2001. – 126 с.

3. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, Т.М. Руднев. Б.Б. Некрасов и др. Москва, "Машиностроение", 1982. – 426 с.