3.3. Методика гидравлического расчета сложных трубопроводных систем

Методика гидравлического расчета трубопроводов базируется на балансе напоров в простых и сложных трубопроводах с включенными в них насосами. При установившемся движении жидкости в трубопроводе и без учета малых скоростных напоров это соотношение имеет вид

(3.1)

где - потребный напор, т.е. энергия, которую необходимо сообщить единице веса жидкости для ее перемещения в гидравлической системе при заданном расходе;

- статический напор, т.е. разность гидростатических напоров жидкости в конечных точках гидросистемы;

- сумма потерь напора в гидросистеме.

При установившемся режиме работы, когда расход в системе трубопроводов не меняется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору гидросети, т.е.

. (3.2)

Задачи о работе насосов на сеть подразделяются на две основные группы:

1) Подбор насоса для данной гидросистемы при требуемой подаче Q_Н. Решение таких задач основано на вычислении потребного напора и, cледовательно, напора насоса . Величины и являются исходными для подбора соответствующего насоса и его двигателя.

2) Определение режима работы данного насоса в гидросистеме. Решение таких задач основано на совместном рассмотрении характеристик насоса и гидросистемы. Для решения задачи в координатах Q - Н строятся в одинаковом масштабе рабочая характеристика насоса и характеристика гидросети , представляющая зависимость потребного напора от расхода при заданном статическом напоре . При этом, величина статического напора помимо разности гидростатических напоров в конечных точках гидросистемы также включает в себя изменение гидростатического напора под действием активной внешней нагрузки, воздействующей на выходное звено гидродвигателя. Так, при использовании в качестве гидродвигателя силового гидроцилиндра дополнительное изменение гидростатического напора сети будет составлять

(3.3)

где R - величина внешней нагрузки, воздействующей на шток- поршень силового гидроцилиндра;

- удельный вес рабочей жидкости;

S - активная площадь шток-поршня силового гидроцилиндра.

Для гидроцилиндра с односторонним шток-поршнем и противодействующей выдвижению штока внешней нагрузкой величина активной площади будет равна

,

где и - площади поршня и штока гидроцилиндра.

Для гидродвигателя в виде гидромотора дополнительное изменение гидростатического напора сети будет равно

(3.4)

где M - внешний крутящий момент (нагрузка) гидромотора;

- рабочий объем гидромотора.

Характеристика гидросети выражается уравнением (3.1), в котором - характеристика трубопровода, т.е. зависимость суммарных потерь напора в трубопроводе на преодоление местных гидравлических сопротивлений и сопротивлений трения по длине трубопровода от расхода жидкости. В машиностроительной гидравлике для учета суммарных гидропотерь обычно применяют общую формулу в виде

(3.5)

где величина k, называемая сопротивлением трубопровода, и показатель степени m имеют различные значения в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе.

Для ламинарного режима течения

и m = 1; (3.6)

для турбулентного режима течения

и m = 2, (3.7)

где = ;

- эквивалентная длина трубопровода;

- коэффициент Дарси (потерь на трение) при турбулентном режиме течения жидкости в трубопроводе. При этом все потери следует приводить к расходу в нагнетательной линии гидродвигателя.

Если гидросистема представляет собой сложный трубопровод, т.е. содержит участки, соединенные между собой последовательно и (или) параллельно, то при решении задачи сложный трубопровод вначале разбивается на ряд простых, рассчитываются и строятся характеристики каждого из простых трубопроводов, затем производится сложение характеристик простых трубопроводов, причем сначала соединенных параллельно, а затем - последовательно. В результате получают суммарную кривую потребного напора для всей гидросистемы как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения жидкости.

Режим работы насоса в гидросистеме определяется его рабочими характеристиками, представляющими собой графические зависимости напора насоса, потребляемой им мощности и КПД от подачи насоса при постоянной частоте вращения. У объемных насосов (поршневых, роторных и др.) их подача почти не зависит от напора, поэтому ее регулирование осуществляют либо изменением частоты вращения насоса, либо применением специальных насосов переменной производительности, у которых на ходу изменяется рабочий объем насоса. Существует и более простой, хотя и менее экономичный способ регулирования подачи за счет перепуска жидкости со стороны нагнетания на сторону всасывания насоса. Для этой цели применяют различные регулируемые дроссели и переливные клапаны, а также автоматы разгрузки и другие специальные устройства.

При стационарном режиме работы подача насоса и развиваемый им напор определяются точкой пересечения характеристик насоса и гидросистемы (суммарной характеристики потребного напора), в которой выполняется условие (3.2), после чего не трудно определить скорости гидродвигателей, находя соответствующие им расходы и развиваемую ими мощность в соответствии с уравнением

, (3.8)

где R - величина полезной внешней нагрузки на гидродвигатель;

- скорость перемещения выходного звена гидродвигателя.

Зная КПД насоса , можно найти приводную мощность насоса в соответствии с уравнением

(3.9)

где - напор и подача насоса в рабочей точке (точке пересечения характеристик насоса и потребного напора).

На основе циклограммы работы механизмов составляют циклограммы расходов и давлений, требуемых от насосной установки в зависимости от времени. Расходы для каждого перехода рабочего цикла определяют путем суммирования расходов на выполнение движений рабочих органов, если эти движения выполняются одновременно. Эти расчеты проводят последовательно для всех без исключения переходов цикла, включая рабочие движения, вспомогательные движения механизмов и паузы. Для определения требуемого давления в напорной гидролинии (на выходе из насоса) нужно для каждой операции цикла определить давления для преодоления нагрузок на рабочем органе, включая силы трения, и добавить к ним дополнительные затраты давления на преодоление гидравлических потерь в соответствующей гидроаппаратуре и трубопроводах. Гидравлическая мощность N (кВт) потока с давлением р (МПа) и расходом Q (л/мин) определяется выражением

N = pQ / 60.

Зная потребляемую мощность в каждом переходе цикла, а также давление (перепад давлений) и расход, которые идут на совершение полезной работы, можно определить среднее количество теплоты, выделяемой в системе в единицу времени

(3.10)

где - перепад давлений, идущий на преодоление полезной нагрузки, МПа;

- расход, отбираемый из напорной линии в каждом переходе цикла, л/мин.

Чтобы рассеять выделяющуюся теплоту и при этом нагрев рабочей жидкости относительно окружающего воздуха не превышал допустимой величины, нужно иметь достаточные размеры гидробака для естественного теплообмена, или вводить принудительное охлаждение (теплообменниками или холодильными установками).

Объем жидкости V в гидробаке c естественным теплообменом, который необходим для рассеяния теплоты в единицу времени при условии, что температура будет не более, чем на превышать температуру окружающего воздуха, можно приближенно определять по формуле

(л). (3.11)

ЗАГОТОВКА

Характер движения выходного звена гидродвигателя во многом определяется назначением автомата, машины, установки или аппарата, в которых используется гидравлический привод. Для обеспечения движения выходного звена гидродвигателя по определенному закону необходимо изменять параметры рабочей жидкости (расход, давление) и направление её движения с помощью различных гидроаппаратов. По назначению всю гидроаппаратуру можно разделить на регулирующую и направляющую.

Гидропривод обладает следующими основными достоинствами:

- возможность получения совместных характеристик приводящего двигателя и гидропривода в соответствии с нагрузочными характеристиками машин;

- простота предохранения приводящего двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок;

- широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена, что позволяет осуществить рациональный режим работы исполнительных органов машины;

- возможность передачи больших сил и моментов, а также осуществление больших передаточных чисел при относительно небольших размерах и массе гидроустройств;

- надежная смазка трущихся поверхностей благодаря применению в качестве рабочей жидкости минеральных масел;

- простота реверсирования без необходимости изменения направления вращения приводящего двигателя, а также возможность получения плавного движения и частых быстрых переключений на ходу машины;

- простота преобразования одного вида движения в другой и независимость расположения гидравлических устройств в пространстве, что создает удобства в общей компоновке машин;

- простота управления, что способствует применению систем автоматического, программного и дистанционного управления.

Преимущества гидропривода при правильном выборе гидравлической схемы и гидроагрегатов, конструировании гидроузлов и их компановки становятся столь существенны, что в большинстве случаев приходится отдавать ему предпочтение. Сейчас трудно назвать область техники, где бы ни использовался гидропривод. Эффективность, большие технические возможности делают его почти универсальным средством при механизации и автоматизации различных технологических процессов.