Аксиально-поршневой насос с наклонным диском

Московский Государственный Технический  Университет им. Н. Э. Баумана

 

 

 

 

 

 

 

Факультет   «Энергомашиностроение».

Кафедра  " Гидравлики, гидромеханики и 

                     гидропневмоавтоматики" .

 

 

 

 

 

 

Расчётно-пояснительная записка  по курсовому проекту.

 

Аксиально-поршневой  насос

с наклонным  диском.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент                 (Водолажский В. В.)

Группа                  Э10-82

Руководитель  проекта      (Никитин О. Ф.)

 

2001 г.

 

 

Содержание.

 

Задание на курсовое проектирование ……………………  3

1. Определение геометрических размеров блока цилиндров …………………………………………………………………….  4

2. Определение  геометрических  размеров распределителя  ……………………………………………………………..  5

3.      Расчёт     гидростатической     опоры     поршня (башмак) ……………………………………………………………………….  6

4.   Определение силы пружины   блока цилиндров …  7

5.  Расчёт реакций  в опорах ………………………………….  8

    5.1  Определение реакций в опорах вала …………….  8

    5.2  Определение реакций опор люльки ………………  9

6. Подбор подшипников  вала на ресурс 1000 часов при 99 % безотказности ………………………………………………………. 10

    6.1  Подбор подшипника А ……………………………….. 10

      6.2  Подбор подшипника В ……………………………….. 10

6.3  Уточнение точек приложения нагрузок  ……….. 11

7. Проверка подшипников  вала на ресурс 3000 часов при  96 % безотказности ……………………………………………….. 13

7.1  Проверка подшипника А …………………………….. 13

7.2  Проверка  подшипника В …………………………….. 13

8.  Опоры люльки ………………………………………………… 14

9. Расчёт соединений ………………………………………….. 15

9.1  Шлицевое соединение ………………………………… 15

10. Выбор рабочей жидкости ..…………………………….. 16

11.  Определение объёмного КПД  …………………………. 17

12.  Испытательный стенд …………………………………… 18

Список литературы ……………………………………………… 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание на курсовое проектирование.

 

Разработать регулируемый аксиально-поршневой насос с наклонным диском для гидропривода машинного регулирования.

Параметры насоса:

• номинальная подача Q_ном = 360 л/мин;
• номинальное давление р_ном = 25 МПа;
• номинальная частота вращения вала  n_ном = 3000 об/мин.

Регулирование подачи – механизмом регулирования подачи с гидроусилителем, давление управления 1.6 МПа.

Режимы нагрузки:

Q₁ = Q_ном ;         p₁ = р_ном ;       t₁ = 0.1 час;

Q₂ = Q_ном ;         p₂ = 0.5 р_ном ; t₂ = 0.4 час;

Q₃ = 0.5 Q_ном ;   p₃ = 0.2 р_ном ; t₃ = 0.3 час;

Q₄ = 0.25 Q_ном ; p₄ = р_ном ;       t₄ = 0.2 час;

Температурный диапазон эксплуатации от – 40 до + 50 °С.

Наработка до первого  отказа 1000 часов, полный ресурс 3000 часов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Определение геометрических размеров блока цилиндров.

 

Для машин с наклонным диском выбираем угол наклона диска g = 18⁰, число поршней z = 9.

Больший угол выбирать нецелесообразно  из-за возможного заклинивания поршня при максимальном вылете.

Определяем рабочий объём  V₀ .

V₀ =

;

Примем h₀ = 0.96 , получим V₀ = 125 см³ .

= А = 1.35 … 1.5 – коэффициент  разноски цилиндров в блоке.

Принимаем А = 1.4  .

Для машин с наклонным  диском:

= 23.852 мм;

По ГОСТ 6540-53 из стандартного ряда принимаем           d_п = 24 мм. Дальнейший расчёт ведём для данного диаметра.

Найдём R_ц – радиус расположения центров цилиндров в блоке .

V₀ = f_п × D_ц × tg(g) × z    Þ    D_ц = 2 × R_ц = ;     f_п = ;

d_п = 24 мм;  f_п = 452.4 мм² ; D_ц = 94.489 мм; R_ц = 47.3 мм.

А = 1.3759 .  V₀ = 125.15 см³.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Определение геометрических размеров  распределителя.

 

Расчёт ведём  секторным методом.

 

S_п = = 452.389 мм² .

S_ок = (0.4 … 0.5) S_п – по статистическим данным.

S_ок = 180.956 … 226.195 мм² .

С другой стороны :

S_ок = p×r² + 2×r×(d_п - 2×r)

Соответственно  при  S_ок = 0.4 × S_п = 180.956 мм² уравнение имеет два решения :

r₁ = 51.85 мм – невозможно ;  r₂ = 4.06 мм.

При  S_ок = 0.5 × S_п = 226.195 мм²  уравнение имеет два решения :

r₁ = 50.72 мм – невозможно ;  r₂ = 5.19 мм.

Принимаем r = 5 мм.

S_ок = p×r² + 2×r×(d_п - 2×r) = 218.54 мм² .

Соответственно  = 0.483 , что лежит в пределах рекомендаций.

Сила прижима рассчитывается по формуле:

P_пр = p × (S_п - S_ок ) = 5846 H.

Сила отжима рекомендуется назначать  на 2 … 5 % меньше силы прижима.

P_отж = (0.98 … 0.95 ) P_пр = 5729 … 5554 Н.

Принимаем P_отж = 5600 Н.

Ширина уплотнительного пояска соответственно равна:

а =

= 3.4 мм.

Принимаем : а = 3.4 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.   Расчёт гидростатической  опоры поршня (башмак).

 

Гидростатический  башмак осуществляет уравновешивание  силы давления жидкости на рабочий  торец поршня.

Диаметры  d₁ и d₂ выбираются из условия полного гидростатического уравновешивания силы (R_i )_g=0 = P_i » q_г.

  q_г - сила давления жидкости, возникающая в несущей масляной плёнке.

q_г =

;

Р_i = S_п × p₂ ;

Приравниваем  P_i = q_г.

S_п × p₂ =

;

;

Задавшись одним диаметром находят второй. Проведенный расчёт даёт : d₁  = 8 … 20 мм ; d₂ = 36.9 … 27.8 мм .

Правильность  выбора  d₁ и d₂ определяется при проверке условия непревышения удельных давлений на торцевой поверхности гидростатической опоры выше допустимых значений.

Принимаем : d₁ = 18 мм и d₂ = 30 мм.

Удельное  давление на торцевой поверхности гидростатической опоры рассчитывается по формуле:

, где

;

q_г =

= 11550 Н.

= 346.405 Н. – избыток прижимающей силы над отжимающей при g = g_max .

R_{ij max} = m_п× w² ×R_ц × tgg;

Масса поршня находится как произведение объёма поршня на его плотность.

m_п = V_п  × r_п .

r_п = 7800 кг/м³ .

V_п = 3.741 × 10^-5 м³.

m_п = 0.292 кг.

R_{ij max} = 442.609 Н.

= 1.744 МПа.

Для материала башмака – БрАЖ9-4 ГОСТ 18175-78           [s] = 350 МПа. Соответственно принятые значения d₁ и d₂ подходят.

 

4.   Определение силы пружины   блока цилиндров.

 

Силы  инерции R_iц , воздействуя на блок цилиндров создают на нём опрокидывающий момент

М_ц = S R_iц × r_iц × cosj_I »

= 94.209 Н/м.

Для уравновешивания этого момента  применяется центральная пружина.

;

D_м = 0.14 м.

R_п ³ 1346 Н.

Дальнейший расчёт пружины ведём  по рекомендациям [3].

Расчёт  пружины приведён в кгс ( 1кгс » 9.8 Н).

Данными для расчёта являются:

R_п ³ 1346 Н,          h = 10 мм,       D = 40 … 50 мм.

Принимаем относительный инерционный  зазор пружины сжатия  d = 0.05 … 0.25 ( для пружин сжатия I и II классов).

= 1416.8 … 1794.6 Н = 146.2 …184 кгс.

В указанном интервале  от146,2 до 184 кгс в табл. 13 имеются следующие  силы: 150; 160; 170; 180 кгс.

Исходя  из заданного диаметра останавливаемся на витке со следующими данными: Р₃ = 150 кгс, d = 7 мм, D = 48 мм,               z₁ = 34.79 кгс/мм,  f₃ = 4.312 мм.

Жёсткость пружины: z = R_п /h = 13.77 кгс/мм.

Число рабочих витков пружины:                    

n = z₁/z = 34.79/13.77 = 2.52 » 2.5

Уточнённая жёсткость пружины:

z = z₁/n = 34.79/2.5 = 13.916 кгс/мм.

При полутора нерабочих витках полное число витков:      

n₁ = 2.5 + 1.5 = 4

Средний диаметр пружины:

D₀ = D – d = 48 – 7 = 41 мм.

Высота пружины в сжатом состоянии:

Н₃ = ( n₁ + 1 ) × d = 5 × 7 = 35 мм.

Высота пружины в свободном  состоянии:

Н₀ = Н₃ + h = 35 + 10 = 45  мм.

Таким образом размеры узла полностью  определены.

Получено  R_п = z × h × 9.81 = 1365.16 H > 1346 H.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.  Расчёт реакций в опорах .

    5.1  Определение реакций в опорах вала.

 

F_ra = ;

F_rb = ;

 

Предварительно : l_oa = 75 мм, l_oв = 163 мм.

 

Давление р₂ ( в долях от р_ном = 25 МПа) изменяется по следующей циклограмме (в долях времени):

 

 

   [МПа]

          0.9

          0.8

          0.7

          0.6

          0.5

          0.4

          0.3

          0.2

          0.1 

            0    

                   0    0.1  0.2  0.3  0.4   0.5  0.6  0.7  0.8  0.9   (час)

 

 

Соответственно изменяются и реакции в опорах:

F_rA1 = 11330 Н;      F_rA2 = 5663 Н;      F_rA3 = 2265 Н.

F_rВ1 =   5211 Н;      F_rВ2 = 2606 Н;      F_rВ3 = 1042 Н.

 

 

 

 

            0.9

            0.8

            0.7

            0.6

            0.5

            0.4

            0.3

            0.2

            0.1

              0

                   0    0.1  0.2  0.3  0.4   0.5  0.6  0.7  0.8   0.9   (час)

 

 

 

 

   

            0.9

            0.8

            0.7

            0.6

            0.5

            0.4

            0.3

            0.2

            0.1

              0

                   0    0.1  0.2  0.3  0.4   0.5  0.6  0.7  0.8   0.9   (час)

   5.2  Определение реакций опор люльки .

 

Реакции в опорах регулирующего  органа ( люльки), расположенных симметрично  относительно оси вращения ротора, возникают от действия на наклонный  диск главной нормальной силы  R. Реакции в опорах определяются по формулам:

 

;

;

R_2.o – реакция в опоре, расположенной со стороны высокого давления.

Х – координата приложения R_cp .

Х = = 30 мм.           l = 180 мм.

Учитывая  реверсивность насоса реакции для подбора подшипников будем считать по формуле:

;

Зная  циклограмму изменения давления р₂ расчитываем реакции R_oi .

R_o1  = 31230 H;      R_o2  = 15620 H;        R_o3  = 6247 H;

 

 

 

 

  

            0.9

            0.8

            0.7

            0.6

            0.5

            0.4

            0.3

            0.2

            0.1

              0

                   0    0.1  0.2  0.3  0.4   0.5  0.6  0.7  0.8   0.9   (час)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Подбор подшипников  вала на ресурс 1000 часов при  99 % безотказности.

 

   6.1  Подбор подшипника А.

 

При циклическом изменении нагрузки необходимо определить эквивалентную  динамическую нагрузку:

 

, где:

 

P_Ai = ( V × X_i × F_rAi + Y_i × F_a ) ×K_б × К_Т ;

 

L_i =

;

L_h1 = 300 часов;      L_h2 = 400 часов;      L_h3 = 300 часов;

L₁ = 54             ;       L₂ =  72           ;       L₃ = 54             ;

 

Назначаем предварительно подшипник  роликовый радиально упорный 7309А.

Назначаем : V = 1 – вращается внутреннее кольцо, Х_i = 0.4 .

K_б = 1.2  ;        К_Т = 1 ( t <100 °C);            F_a = R_п = 1365.16 H.

 

= 0.121  < e = 0.35  Þ X₁ = 1    ; Y₁ = 0  ;