Проект аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров

Министерство Образования Науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский  университет)

Филиал в г. Миассе

Факультет «Машиностроительный»

Кафедра «Технология Производства Машин»

 

 

 

 

 

 

                             КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

           По дисциплине « Объемные гидромашины и гидропередачи»

На тему: « Проект аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров»

 

 

 

 

 

                                                                   Выполнил: Студент 413гр.

                                                                                      Наумов Роман

 

                                                                         Руководитель: Елюкин. Н. Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                         Миасс 2014

СОДЕРЖАНИЕ

1. Описание конструкции гидромашины ……………………..………...3

           2. Конструкторская часть. Расчет основных параметров.

2.1. Расчёт блока цилиндров………………………………………....…..8

2.2. Расчёт распределителя………………………………………………14

2.3 Расчёт кпд гидронасоса ……………………………………………...17

2.4. Расчёт на прочность вала и подшипников ……………………..….19

2.5 Расчёт теплового режима гидронасоса ……………………………..22

2.6 Расчет потребляемой мощности и выбор приводного электродвигателя ………………………………………………………………………………23

Заключение………………………………………………………………..24

Список использованных источников…………………………………....25

 

Приложение 1     Сборочный чертёж

Приложение 2     Спецификация

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Описание конструкции гидромашины

      В объемных гидроприводах, наряду с шестеренными, широко используют роторные аксиально-поршневые насосы и гидромоторы.

Рисунок 1. Принципиальные схемы аксиально-поршневых гидромашин:

а) с наклонным диском; б) с наклонным блоком цилиндров; 1- ведущий вал; 2 - диск; 3 - шток; 4 - блок цилиндров; 5 – поршень; 6- гидрораспределитель; 7 – пазы; 8 – шарнир; 9 – шатун.

     Кинематической основой таких гидромашин служит кривошипно-шатунный механизм, в котором цилиндры перемещаются параллельно один другому, а поршни движутся вместе с цилиндрами и одновременно из-за вращения вала кривошипа перемещаются относительно цилиндров.  

     Аксиально-поршневые гидромоторы (рис. 1) выполняют по двум основным схемам: с наклонным диском и с наклонным блоком цилиндров. Гидромашина с наклонным диском включает в себя блок цилиндров, ось которого совпадает с осью ведущего вала 1, а под углом α к нему расположена ось диска 2, с которым связаны штоки 3 поршней 5. Ниже рассмотрена схема работы гидромашины в режиме насоса. Ведущий вал приводит во вращение блок цилиндров.

     При повороте блока вокруг оси насоса на 180° поршень совершает поступательное движение, выталкивая жидкость из цилиндра. При дальнейшем повороте на 180° поршень совершает ход всасывания. Блок цилиндров своей шлифованной торцовой поверхностью плотно прилегает к тщательно обработанной поверхности неподвижного гидрораспределителя 6, в котором сделаны полукольцевые пазы 7. Один из этих пазов соединен через каналы с всасывающим трубопроводом, другой — с напорным трубопроводом. В блоке цилиндров выполнены отверстия, соединяющие каждый из цилиндров блока с гидрораспределителем. Если в гидромашину через каналы подавать под давлением рабочую жидкость, то, действуя на поршни, она заставляет их совершать возвратно-поступательное движение, а они, в свою очередь, вращают диск и связанный с ним вал. Таким образом, работает аксиально-поршневой гидромотор.

     Принцип действия аксиально-поршневого насоса-гидромотора с наклонным блоком цилиндров заключается в следующем. Блок 4 цилиндров с поршнями 5 и шатунами 9 наклонен относительно приводного диска 2 вала 1 на некоторый угол. Блок цилиндров получает вращение от вала через универсальный шарнир 8. При вращении вала поршни 5 и связанные с ними шатуны 9 начинают совершать возвратно-поступательные движения в цилиндрах блока, который вращается вместе с валом. За время одного оборота блока каждый поршень производит всасывание и нагнетание рабочей жидкости. Один из пазов 7 в гидрораспределителе 6 соединен со всасывающим трубопроводом, другой — с напорным. Объемную подачу аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров можно регулировать, изменяя угол наклона оси блока относительно оси вала в пределах 25°. При соосном расположении блока цилиндров с ведущим валом поршни не перемещаются и объемная подача насоса равна нулю.

Конструкция нерегулируемого аксиально-поршневого насоса-гидромотора с наклонным диском показана на рисунке 2.

 

    

   

     В корпусе 4 вместе с валом 1 вращается блок 5 цилиндров. Поршни 11 опираются на наклонный диск 3 и благодаря этому совершают возвратно-поступательное движение. Осевые силы давления передаются непосредственно корпусным деталям - передней крышки 2 через люльку 14 и задней крышке 8 корпуса - через башмаки 13 поршней и гидрораспределитель 7, представляющие собой гидростатические опоры, успешно работающие при высоких давление и скорости скольжения.

     В аксиально-поршневом насосе-гидромоторе применена система распределения рабочей жидкости торцового типа, образованная торцом 6 блока цилиндров, на поверхности которого открываются окна 9 цилиндров, и торцом гидрораспределителя 7.

     Система распределения выполняет несколько функций. Она является упорным подшипником, воспринимающим сумму осевых сил давления от всех цилиндров; переключателем соединения цилиндров с линиями всасывания и нагнетания рабочей жидкости; вращающимся уплотнением, разобщающим линии всасывания и нагнетания одну от другой и от окружающих полостей. Поверхности, образующие систему распределения, должны быть взаимно центрированы, а одна из них (поверхность блока цилиндров) - иметь небольшую свободу самоориентации для образования слоя смазки. Эти функции выполняет подвижное эвольвентное шлицевое соединение 12 между блоком цилиндров и валом. Чтобы предотвратить раскрытие стыка системы распределения под действием момента центробежных сил поршней, предусмотрен центральный прижим блока пружиной 10.

     В нерегулируемом аксиально-поршневом насосе-гидромоторе с реверсивным потоком и наклонным блоком цилиндров (рисунок 3)  ось

           

вращения блока 7 цилиндров наклонена к оси вращения вала 1. В ведущий диск 14 вала заделаны сферические головки 3 шатунов 4, закрепленных также с помощью сферических шарниров 6 в поршнях 13. 
При вращении блока цилиндров и вала вокруг своих осей поршни совершают относительно цилиндров возвратно-поступательное движение. Вал и блок вращаются синхронно с помощью шатунов, которые, проходя поочередно через положение максимального отклонения от оси поршня, прилегают к его юбке 5 и давят на нее. Для этого юбки поршней выполнены длинными, а шатуны снабжены корпусными шейками. Блок цилиндров, вращающийся вокруг центрального шипа 8, расположен по отношению к валу под углом 30° и прижат пружиной 12 к распределительному диску (на рисунке не показан), который этим же усилием прижимается к крышке 9. 
Рабочая жидкость подводится и отводится через окна 10 и 11 в крышке 9. Поршни, находящиеся в верхней части блока, совершают ход всасывания рабочей жидкости. В то же время нижние поршни, вытесняя жидкость из цилиндров, совершают ход нагнетания. Манжетное уплотнение 2 в передней крышке гидромашины препятствует утечке масла из нерабочей полости насоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           2. Конструкторская часть. Расчет основных параметров.

2.1 Расчет размеров  блока цилиндров 

 

Если рабочий объем гидронасоса известен, то задача расчета состоит в определении размеров основных деталей и узлов, обеспечивающих получение требуемой частоты вращения вала при заданном номинальном потоке, удовлетворяющих условиям прочности при расчетном давлении в напорной линии, учитывающих необходимость обеспечения минимальных потерь мощности и оптимальной долговечности.

Определяющее влияние на размеры гидромашины оказывает блок цилиндров и принятая схема компоновки. Исходными данными для расчета блока служат: рабочий объем насоса q, число цилиндров z, давление нагнетания и угол наклона .

Рисунок 4 - Блок цилиндров

 

Общий вид блока цилиндров показан на рисунке 4. Его конструкция мало зависит от типа аксиально-поршневой машины. Основными размерами блока являются: диаметр цилиндра d, диаметр делительной окружности , диаметр внутренней расточки , наружный диаметр ,  длина цилиндра и высота блока Н.

Рабочий объем определим по формуле:

Qн = 128 л/мин = 2,133*10-3 м3/с

,                                 

 Где: теоретическая подача;

Так как это основной параметр гидромашины, то выбираем его по ГОСТ 13824 – 80: = 112 .

Определение диаметров поршней

,                              

Где: - угол наклона блока цилиндров, принимается равным: от 15 до 25°, для насоса, выбранного за прототип g = 25°;

z - количество поршней, принимаем z = 9,  рабочий объем одного цилиндра будет равен:

КD – дезаксиал. КD=1,05.

 мм,

Из ряда стандартных диаметров по ГОСТ 12447 – 80 выберем dп=20 мм.

     Исходные данные по заданию:

Qн = 128 л/мин; n = 1200 об/мин; pном=20 МПа;

Конструкция:  
- аксиально-поршневые насос наклонным блоком; 
- угол наклона блока цилиндров 25º; 
- биметаллический стальной блок; 
- присоединительные размеры в соответствии со стандартами DIN / ISO.

     Прототипом выбираем аксиально-поршневой насос типа «310», который имеет следующие технические характеристики:

QТ = 133 л/мин; n = 1200 об/мин; pном=20 МПа; pmax= 35 МПа; ηо=0.96.

Фактическая подача насоса Qф и его рабочий объёмV0:

Qф  = Qт* η0 = 133*0,96 = 128 л/мин = 2,133*10-3 м3/с

Что соответсвует, нашим исходным данным:

     Исходя из ГОСТ 13824-68, уточняем рабочий объем насоса: V0 = 112 cм3. Исходя из конструкторских соображений (с.117 [1]): т.к. V0=112 см3 > 100 см3, то принимаем число поршней z=9.

Объём одного цилиндра:

Рассчитываем диаметр d и ход поршня h

     Следуя конструкторским предпочтениям, принимаем h=1.8d, тогда из формулы получим:

По ГОСТ 6636-60 округляем диаметр поршня до стандартного: d=0.02 м,d=20 мм.

Получаем dп=2 (см) =20 (мм) =0.02 (м), h= 1.8·d= 1.8·20=36 (мм) =0.036 (м).

 

 

 

Определим размеры блока цилиндров

     Все основные геометрические параметры рассчитываются, исходя из конструкторских соображений, и в соответствии с принципами и правилами теории аксиально-поршневых насосов.

      Основные геометрические параметры блока цилиндров показаны на рисунке 5.

            

Рисунок 5. Основные геометрические параметры блока цилиндров

Толщина стенки между цилиндрами принимают равной:

b=0.2d = 0.2·20 = 4 мм.

Толщина стенки между стенками цилиндра и наружной поверхностью блока:

a = 0.3d = 0.2·20 = 6 мм.

Из конструкторских соображений принимаем a = 8 мм.

Диаметр окружности расположения осей цилиндров:

DБ = (0.35..0.4)d·z, тогда:

DБ = 0.4·20·9 = 72 мм.

Наружный диаметр блока цилиндров:

DН = DБ+1.6d, тогда:

DН = 72+1.6·20 = 104 мм.

Диаметр внутренней расточки рассчитываем следующим образом:

DВ=DБ - (d+2a) =72-(20+2·8) =36 мм.

Центральный угол между осями двух соседних цилиндров рассчитываем по следующей формуле:

.

Угол наклона блока цилиндров:

т.к. h = DБ·sin(γ) => .

Принимаем из конструктивных соображений ,

Тогда h=DБ·sin(γ) = 72·sin25˚=30 мм.

.

     Длина L блока цилиндров: L=l+b, где l – длина поршня; b - технологический размер, b=13 мм.

l = 2.75d = 2.75·20 = 55 (мм).

L = l + b = 55 + 13 = 68 (мм).

     В качестве материала поршней принимаем бронзу БрАЖ9-4, а блок цилиндров выполняем из стали 40Х.

 

Блок цилиндров рассчитывается на прочность и жёсткость.

1) проверка на прочность:

(с.64 [2]), где

- коэффициент жесткости  блока;

- расчетное давление, принимаем

kp=1.4- коэффициент перегрузки по давлению, тогда Pp=1.4·35·106= 49 МПа.

[σ]=150 МПа – допускаемое напряжение для блока из стали 40Х, тогда:

Па< 150·106Па => условие прочности выполняется.

2) Проверка на жесткость:

Расчет блока выполняется приближенно для толстостенной трубы, имеющей внутренний диаметр равный d, а наружный диаметр равный d+2a.

,

где [δ]=7..8 мкм = (7..8)·10-6 м для блоков из стали.

μ= 0.28 – коэффициент Пуассона.

E= (2.0..2.1)·105 МПа – модуль упругости для стали. Тогда:

м < 8.0·10-6 м. =>

=> условие жесткости  выполняется.

 

2.2 Расчёт распределителя

Расчёт торцевого распределителя жидкости и маслопроводящих каналов

Основные геометрические параметры торцевого распределителя рассчитываются в соответствии с конструктивными соображениями и предпочтениями. Торцовый распределитель аксиально-поршневых гидромашин выполняется, как правило, в виде плоского или сферического диска с двумя полукольцевыми окнами, соединяющими блок с полостями нагнетания и всасывания (рисунок 6).

                        

                    Рисунок 6. Схема окон распределителя

1) Ширина распределительных окон рассчитывается следующим образом:

с = (0.4..0.5)d = 0.5·d = 0.5·20 = 10 мм.

2) Ширина перемычки между окнами s = (1.1..1.2)t,

где t = d = 20 мм – длина окна в донышке цилиндра, тогда:

S = 1.2·20 = 24 мм.

3) Площадь овального окна:

F0 = (0.42..0.5)Fn= 0.45· = мм2.

4) Определим максимальную скорость жидкости в подводных окнах ротора:

;

где nmax= 1800 об/мин, тогда: