Гидростанции

И УСТАНОВИВШЕЙСЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МАСЛА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Лабораторная работа 4

Цель работы – изучение гидростанции промышленного робота, экспериментальное определение коэффициента теплопередачи, расчет установившейся температуры масла гидростанции, ознакомление с методом теплового расчета гидросистем.

1. Основные понятия

Ограничение нагрева масла в гидроприводе достигается рациональным его проектированием, введением принудительного охлаждения жидкости с помощью теплообменников.

Тепло, выделяющееся при работе гидропривода, нагревает его элементы и рабочую жидкость, а также рассеивается в окружающее пространство.

При достижении установившейся температуры масла в гидробаке все выделяемое тепло рассеивается в окружающее пространство.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

Ndt=(Cm + C₁m₁)dТ + KSdt*( +T₁ - T₀), (4.1)

где N - количество тепла, выделяемое в гидросистеме в ед. времени; dT – приращение температуры рабочей жидкости за время dt; C – теплоемкость рабочей жидкости (минерального масла); m – масса масла; C₁ – теплоемкость материала гидробака (стали); m₁ – расчетная масса гидробака; K – коэффициент теплопередачи от рабочей жидкости через стенку гидробака к окружающему воздуху; T₁ – температура масла к началу рассматриваемого бесконечно малого промежутка времени dt; T₀ – температура окружающего воздуха; S – расчетная площадь поверхности гидробака.

Из уравнения (4.1) при непрерывной работе гидростанции в течение времени t получается зависимость для определения температуры масла

T=T₀ + (T_нач - T₀)exp + (1 - exp ), (4.2)

где Т_нач – начальная температура масла в гидробаке.

Коэффициент теплопередачи для однослойной плоской стенки определяется по формуле

К = , (4.3)

где a ₁ – коэффициент теплоотдачи от масла к стенке гидробака; a ₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки гидробака окружающему воздуху; d – толщина стенки гидробака; λ – коэффициент теплопроводности материала стенки гидробака.

Значения коэффициентов a₁, a₂, λ зависят от конструкции гидростанции, режима ее работы, марки масла и других факторов, поэтому определение коэффициента теплопередачи, характеризующего тепловой режим гидропривода, рационально произвести экспериментально, что осуществляется в данной работе.

Количество тепла, передаваемое от нагретого масла окружающему воздуху, зависит от площади поверхности гидробака. Однако условия теплопередачи для боковых стенок, основания и крышки гидробака неодинаковы вследствие различия в их температурах и расположении. Поэтому введено и используется в последующих расчетах понятие расчетной площади поверхности гидробака, которая определяется по формуле:

S = α , (4.4)

где V=b*l*H - обьем масла в гидробаке; принять b*l=41дм²; Н - высота масла в баке; a- коэффициент, зависящий от отношения сторон гидробака.

При отношении сторон гидробака в пределах от 1:1:1 до 1:2:3 значения a =0,060+0,069. Принимая среднее значение a =0,064, получаем:

S = 0,064 м²; V в дм³ (4.5)

масса масла в гидробаке

m=rV, (4.6)

где r = 900 кг/м³ – плотность масла.

Теплоемкость масла принять С = 1880 Дж/кг.град.

Расчетная масса гидробака гидростанции определяется соотношением:

m₁=Sdr₁, (4.7)

где S – расчетная площадь поверхности гидробака, определяемая соотношением (4.5); d =2 мм – толщина стенок гидробака; r₁ =7800 кг/м³ – плотность стали.

Теплоемкость материала сварного стального бака принять С₁ =460 Дж/кг.град.

При экспериментальном определении коэффициента теплопередачи вся энергия, подводимая к электродвигателям гидростанции и нагревателю, идет на нагрев ее элементов и рабочей жидкости, поэтому количество тепла, выделяемое в гидросистеме в ед. времени, определяется соотношением:

Ni=nI_фiU_фcosφ,

где N₁, N₂ – мощность, потребляемая электродвигателями М1 и М2; n=3 – количество фаз приводного i-го электродвигателя (i=1,2); I _фi – фазная сила тока электродвигателя.

Принять U_ф =220в; cosφ=0,8.

Если известно значение коэффициента теплопередачи К, то установившуюся температуру масла можно определить по формуле (4.2) при t :

Т=Т₀+ . (4.9)

Как показали испытания, для многих действующих гидросистем расхождение между температурой масла, подсчитаной по формуле (4.2) при t =11 часов и установившейся температурой, подсчитаной по формуле (4.9), не превышает 5-10%, поэтому практически расчет установившейся температуры гидропривода можно вести по более простой формуле (4.9). При этом предполагается, что разность наибольшей и наименьшей температур воздуха в цехе в течение дня не превышает 4+6⁰C.

2. Экспериментальная установка

Принципиальная гидравлическая схема гидростанции, на которой производится экспериментальное определение коэффициента теплопередачи, показана на рис.6.

Основной насос Н1, вал которого вращается электродвигателем М1, подает масло из бака Б через фильтр с указателем ФУ1, обратный клапан ОК1 и распределитель Р при включенном электромагните ЭМ в нагнетательную линию НГЛ. Давление в линии контролируется реле давления РД и манометром М при нажиме на кнопку распределителя манометра РМ. Насос Н1 защищен от перегрузки давлением предохранительным клапаном ПК.

Р

СГЛ

РБ

ВК3

БФ

Рис.6. Принципиальная гидравлическая схема гидростанции: А1, А2 – ампер-метры; ВК1, ВК2, ВК3 – эл. выключатели; Б - бак; НГЛ - нагнетательная гидролиния; СГЛ - сливная гидролиния; РБ - регулирующий блок; РД - реле давления; ПК – предохранительный клапан; М – манометр; РМ - распределитель манометра; Р - распределитель; КО1, КО2, КО3 - обратные клапаны; ФУ1, ФУ2 - фильтры с указателями; БФ - блок фильтров циркуляционного насоса; Н1 - основной насос (пластинчатый); Н2 - циркуляционный насос (шестерённый); М1, М2, М3, М4 – электродвигатели; ОХЛ – охладитель; НАГ – нагреватель; ВУ – всасывающее устройство; ЗФ - заливной фильтр; МФ - магнитный фильтр; ДТ - датчик температуры; УТ - указатель температуры; ДР - регулируемый дроссель; ЭМ – электромагнит

Сливная гидролиния СГЛ осуществляет слив масла в бак Б через магнитный фильтр МФ. При выполнении данной работы линии НГЛ и СГЛ отсоединены от ПР, заглушены и соединяются между собой регулируемым дросселем ДР. При обесточенном электромагните ЭМ эти линии также соединяются через распределитель Р и обратный клапан ОК2. Элементы ОК2, Р, РМ, РД, ПК конструктивно объединены в регулирующий блок РБ.

Циркуляционный насос Н2, вал которого вращается электродвигателем М2, подает масло в цепь циркуляции, замыкаемую баком Б. В цепь циркуляции входит блок фильтра Б (фильтр с указателем ФУ2 и обратный клапан ОКЗ), охладитель ОХЛ и нагреватель НАГ. Радиатор охладителя обдувается двумя вентиляторами, приводимыми электродвигателями М3 и М4.

Измерение температуры в баке производится с помощью датчика температуры ДТ и указателя температуры УТ.

Заливка масла в бак производится через заливной фильтр ЗФ. Всасывающее устройство обеспечивает подсос очищенного от пыли и водяных паров воздуха в герметизированный бак при понижении в нем уровня масла. Через устройство воздух выходит из бака при повышении в нем уровня масла.

При первом запуске станции, когда температура масла меньше 35⁰ С, датчиком температуры ДТ подается сигнал включения электродвигателя М2 циркуляционного насоса Н2 и нагревателя НАР.

После достижения температуры 35⁰ С автоматически включаются электродвигатель М1 основного насоса Н1 и электромагнит ЭМ распределителя Р. Продолжается работа насоса Н2 и нагревателя НАГ. При работе основного насоса реле давления РД подает сигнал электроавтоматике, которая отключает основной насос, когда его давление падает ниже необходимого для нормальной работы промышленного робота (ПР), подключенного к гидростанции.

При достижении температуры масла 44⁰ С автоматически отключается нагреватель НАГ, а при достижении 46⁰ С автоматически включаются электродвигатели М3 и М4 охладителя ОХЛ. С помощью выключателя ВКЗ один из электродвигателей охладителя можно отключить вручную.

Если в ходе работы станции температура масла превысит 60⁰ С – отключается насос Н1, а насос Н2, электродвигатели М3, М4 продолжают работать.

Температуры 44⁰ С и 46⁰ С являются основными для автоматического управления станцией. В зависимости от изменения температуры при 44⁰ С включается или отключается нагреватель, а при 46⁰ С– охладитель. Если температура масла упадет ниже 35⁰ С автоматически отключается основной насос Н1. Таким образом, при температурах ниже 35⁰ С и выше 60⁰ С основной насос Н1 заблокирован.

3. Проведение эксперимента

Измерить высоту масла в баке Н, температуру окружающего воздуха Т₀ и начальную температуру Т_нач. масла в баке. Значения измеренных параметров занести в табл.6.

Таблица 6

Результаты эксперимента

Номер опыта	Высота масла в баке Н, м	Температура, ^0С	Давление основного наноса Р, МПа	Сила тока, А	Время опыта, t, с
Окружающего воздуха То	Масла в баке	Основного эл. двигателя Iф1	Эл. двигателя циркул. аноса Iф2
Начальная Тнач	Конечная Тэ

Режим работы гидростанции задается преподавателем.

Пусковой кнопкой включить гидростанцию и по манометру установить давление Р основного насоса дросселем ДР. Одновременно с пуском гидростанции включить секундомер, фиксирующий время опыта. Измерить силу тока I_ф1, I_ф2 работающих электродвигателей.

По прошествии заданного преподавателем времени опыта t выключить гидростанцию и измерить конечную температуру Т_э масла в баке. Значения Т_э, Р, I_ф1, I_ф2 и t занести в табл.6.

4. Обработка экспериментальных данных

Пользуясь соотношением (4.5,4.6,4.7), вычислить расчетную площадь поверхности гидробака S, массу масла в гидробаке m и расчетную массу гидробака m₁. Вычислить величину Cm+C₁m₁, приняв С=1880 Дж/кг.град, С₁=460 Дж/кг.град.

Суммарную мощность N, потребляемую гидростанцией от электросети, вычислить, используя соотношение (4.8). Мощность электродвигателей М3 и М4 не учитывать в виду малости. Результаты вычислений свести в табл.7.

Таблица 7

Результаты вычислений

Номер опыта	S, м^2	m, кг	m1, кг	Сm+С1m1, Дж/град	, м^2. град/Дж	N, Вт

Пользуясь соотношением (4.2), заполнить табл.8, задавая К в качестве независимого переменного. Учесть, что при К=0

T=T_нач + .

Таблица 8

К, Дж/м^2.с.град
Т, град

По данным табл.8 построить зависимость Т(К) (см.рис.7). На рис.7 нанести прямую Т_э = const, взяв значение Т_э из табл.6. В пересечении зависимостей Т(К) и Т_э=const получается экспериментальное значение коэффициента теплопередачи К_э.

Рис.7. Графическое решение уравнения (4.2)

Подставив значение К_э в соотношение (4.9), определить установившуюся температуру масла. Максимальную температуру масла принимают до 60⁰+80⁰ С, в большинстве гидроприводов станков и технологического оборудования ее ограничивают значением 50⁰+60⁰ С.

Для ограничения температуры масла в гидросистемах обычно достаточно следующих мер:

1. Выполнение масляных баков большой емкости. Обычно обьем масляного бака выбирается равным 3-4 минутной производительности насоса. В ряде случаев объем увеличивают до 5-6 минутной производительности.

2. Воздушное охлаждение вентилятором. Для охлаждения масла гидросистемы применяются теплообменные аппараты воздух-масло.

3. Для охлаждения масла применяют водяные теплообменники.

Последний способ используется, обычно в гидроприводах большой мощности.

Дата добавления: 2015-05-26