Проектирование схемы гидропривода поступательного движения пресса

Московский государственный  машиностроительный университет МАМИ

Курсовая работа по дисциплине: Механизмы и приспособления для ремонта АМТС

На тему: Проектирование схемы гидропривода поступательного движения пресса

Студента: Фролова Ивана Петровича

№ 6815 Дистанционное обучение 
 

            Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. НЕКОТОРЫЕ  ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМ  ГИДРОПРИВОДА

1.1. Выбор  способа регулирования

1.2. Выбор  распределителя, напорного клапана  и делителя потока

1.3. Выбор  фильтра и места его установки

1.4. Использование  гидроаккумулятора

1.5. Выбор  рабочей жидкости

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОПРИВОДОВ  ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

2.1. Подбор  гидроаппаратуры

2.2. Определение  действительных перепадов давлений

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОПРИВОДОВ  ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  КПД ГИДРОПРИВОДА

4.1. Определение  КПД при постоянной нагрузке

4.2. Определение  КПД при работе в цикличном  режиме

5. ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОПРИВОДА 

6. Список Литературы

1. Некоторые вопросы  проэктирования схем гидропривода

При проектировании схем гидропривода машин различного назначения, инженер исходит из возможности использования готовой гидравлической аппаратуры и агрегатов и рекомендаций по рациональному использованию возможностей объемного гидропривода (ГП). В связи с этим кратко остановимся на классификации наиболее распространенных схем ГП и на некоторых вопросах его проектирования.

Принципиальная гидравлическая схема строительно-дорожной машины разрабатывается на основе типовых схем, а именно: 
а) схемы ГП поступательного движения, в которых выходным элементом является гидроцилиндр (или поворотный гидродвигатель), перемещение поршня которого может осуществляться как без регулирования скорости с фиксацией и без фиксации его положения, так и с регулированием скорости перемещения; 
б) схемы ГП поступательного движения с последовательным включением гидроцилиндров, последовательность включения которых осуществляется с помощью гидравлических устройств, а управление осуществляется по пути, по нагрузке или по времени; 
в) схемы ГП поступательного движения с синхронизацией движения нескольких гидроцилиндров, синхронизация которых осуществляется с помощью регуляторов и делителей расхода и т.п. устройств; 
г) схемы ГП вращательного движения, в которых выходным элементом являются различные типы гидромоторов, соединенных параллельно, последовательно или независимо друг от друга и запитанных от одного или нескольких насосов.

В названных схемах ГП могут использоваться различные типы насосов, которые должны работать эффективно в данных условиях эксплуатации.

Вышеприведенный перечень типовых схем, безусловно, не является полным, но дает возможность использовать типовую схему, исходя из общих принципов работы того или иного механизма.

Принципиальная схема ГП определяет состав его элементов и связи между ними, дает детальное представление о принципах работы ГП. При разработке гидравлической схемы рекомендуется применять нормализованную аппаратуру, т.к. применение специальной гидроаппаратуры приводит к повышению стоимости гидропривода.

При расчете ГП необходимо задаваться давлением, которое обеспечивает заданное усилие или момент, а расход жидкости определяется скоростью или частотой вращения исполнительного механизма и геометрическими размерами гидродвигателя.

Величина давления определяет размеры элементов ГП: высокое давление уменьшает размеры, но требует дорогих насосов и высокой герметичности соединений.

Для определения оптимального давления, а также общей минимальной стоимости ГП при централизованном изготовлении его элементов на современном техническом уровне, был проведен ряд сравнительных исследований ГП различных машин. Результаты этих исследований показали, что в настоящее время в качестве рациональных приняты следующие значения рабочего давления (табл.1.1)

Таблица 1.1

На эти значения давлений и нужно ориентироваться. При этом следует помнить, что величина рабочего давления (МПа) может быть взята только из ряда номинальных давлений по ГОСТ 12445-80

Выбор давления из указанного ряда обусловлен тем, что именно на эти давления ориентируются при разработке конструкций насосов, гидромоторов и всех других элементов гидропривода.

Исходя из заданной скорости (частоты вращения) перемещения рабочего органа номинальный расход Q*(л/мин), выбирают по ГОСТ 13825 80

При правильно выбранном расходе общие потери давления в гидросистеме не должны превышать 5-6% от давления насоса.

После принятия решений по всем указанным выше пунктам, вычерчивается принципиальная схема ГП и составляется краткое описание его работы.

1.1. Выбор способа регулирования

В зависимости от требований, связанных с эксплуатацией машины, в гидроприводе могут применяться объемное и дроссельное регулирование скорости или сочетание этих способов. Объемное регулирование скорости осуществляется изменением подачи насоса или гидромотора в зависимости от рабочего объема, который изменяется автоматически или с помощью управляющих устройств. При дроссельном регулировании изменяются размеры проходных сечений дросселей или неполным включением золотников гидрораспределителя.

Выбор способа регулирования должен производиться с учетом оценки объемного и дроссельного регулирования по трем показателям: по нагрузочным характеристикам, КПД и стоимости элементов ГП.

Нагрузочная характеристика ГП выражает зависимость скорости движения выходного звена (штока гидроцилиндра, или вала гидромотора) от нагрузки на нем, т.е.

υ = f1 ( R ) или ω = f2 ( M КР ).

При этом значения рабочих объемов гидромашин (в случае объемного регулирования) или проходного сечения дросселя (в случае дроссельного регулирования) остаются неизменными. Нагрузочная характеристика отражает степень стабильности скорости выходного звена при изменяющейся нагрузке. По этому показателю оценка вариантов регулирования такова: наибольшей стабильностью обладают ГП с объемным регулированием, значительно хуже в этом отношении дроссельное регулирование.

ГП с объемным регулированием имеют существенно более высокий КПД по сравнению с ГП, у которых применено дроссельное регулирование.

Как видно, по двум важнейшим показателям - нагрузочным характеристикам и КПД - лучшие качества имеет ГП с объемным регулированием. В отношении экономического показателя дело обстоит несколько иначе. Регулируемые насосы и гидромоторы более дорогостоящие, чем нерегулируемые. Поэтому у ГП с объемным регулированием получаются значительные капитальные затраты, но зато, благодаря более высокому КПД, меньшие эксплуатационные расходы.

Поэтому объемное регулирование обычно применяют, когда существенными являются энергетические показатели, например, в ГП большой мощности и с длительными режимами их непрерывной работы. ГП с дроссельным регулированием применяют для маломощных систем (до 5 кВт), а также, когда режимы непрерывной работы ГП кратковременные. При этом стремятся применить недорогие гидромашины, например шестеренные.

В заданиях, приведенных в данных методических указаниях, во всех схемах ГП применяется дроссельное регулирование.

При определении места установки дросселя нужно учитывать следующее. При знакопеременной нагрузке возможно только одно местоположение дросселя - за гидродвигателем (гидромотором или гидроцилиндром), поскольку при других положениях не обеспечивается регулирование в момент, когда направление внешней нагрузки совпадает с направление движения выходного звена ГП. Другими словами схемы с дросселем в сливной магистрали обеспечивают двухстороннюю жесткость двигателя гидросистемы (рис.1, а), обеспечивая наибольшую устойчивость против автоколебаний, и в особенности при малых скоростях движения гидравлического двигателя.

Рис.1.1 Варианты включения дросселя в гидросистему

Из схемы (рис.1, б) видно, что при резком снижении подачи жидкости на входе в цилиндр путем дросселирования, поршень будет перемещаться под действием силы инерции движущейся массы. Применение такой схемы особенно нецелесообразно в системах с гидродвигателем вращательного движения, который может работать в переходных режимах с высокими ускорениями выходного вала, в результате чего инерция вращающихся узлов двигателя и присоединенной к нему массы внешней нагрузки может достигать значительной величины. Эту схему нельзя применять, например, в грузоподъемных машинах из-за возможности падения груза. Этому падению противодействуют лишь сила трения поршня о цилиндр и сопротивление сливной гидролинии. При установке же дросселя в сливной магистрали, увеличению (забросу) скорости выходного звена оказывает сопротивление этого дросселя. Однако при резком торможении гидромотора в линии между гидромотором и дросселем могут возникнуть недопустимо высокие давления. Для предохранения системы и гидромотора от подобного давления в этой линии необходимо установить предохранительный клапан.

Реже применяются системы с дросселем, подключенным параллельно гидродвигателю (рис.1, в). Жидкость, подаваемая насосом в объеме QН, делится на два параллельных потока, один из которых QЦ поступает в силовой цилиндр (гидродвигатель), а другой QДР переливается через дроссель в бак, причем количественно эти потоки обратно пропорциональны сопротивлениям ветвей. Основным недостатком этой схемы является пониженная жесткость и необходимость индивидуального источника питания для каждого потребителя. Однако при этом получается более высокий КПД, и меньше нагревается рабочая жидкость. К тому же нагретая жидкость сливается в бак, минуя гидродвигатель.

При установке дросселя перед гидродвигателем нагретая в процессе дросселирования жидкость поступает в гидродвигатель, ухудшая тем самым тепловой режим ГП. Для обеспечения плавности страгивания выходного звена, приходится дополнительно включать в сливную магистраль подпорный клапан. Поэтому из двух вариантов последовательного включения дросселя предпочтительным является расположение дросселя за гидродвигателем.

Регулируемый дроссель с обратным клапаном применяется в том случае, когда регулирование требуется только при движении выходного звена в одном направлении.

1.2. Выбор распределителя, напорного  клапана и делителя потока

Гидрораспределители относятся к направляющей гидроаппаратуре и применяются для изменения направления или пуска и остановки потока рабочей жидкости. Они изменяют направление движения выходного звена гидродвигателя.

Число позиций распределителя определяется по числу операций, которые он должен обеспечить. Если, например, требуется обеспечить движение выходного звена гидродвигателя в двух направлениях, то распределитель должен быть двухпозиционным. Кроме того, если требуется обеспечить остановку выходного звена и разгрузку насоса - то он должен быть трехпозиционным.

По типу управления распределители бывают: 
- с ручным (ножным) управлением; 
- с механическим управлением от кулачка; 
- с гидравлическим управлением от вспомогательного распределителя (пилота); 
- с электрическим управлением от толкающего электромагнита постоянного или переменного тока; 
- с электрогидравлическим управлением; 
- с пневматическим управлением; 
- с пневмогидравлическим управлением.

Распределители с электрическим управлением применяются в ГП, в которых требуется высокое быстродействие, поскольку время срабатывания у них не превышает 0,01…0,02 сек. Т.к. тяговое усилие и ход электромагнита ограничены, такие распределители обычно имеют условный проход не более 10 мм. Для больших типоразмеров применяется электрогидравлическое управление.

Гидроклапаны относятся к регулирующей гидроаппаратуре и служат для изменения давления, расхода и направления потока рабочей жидкости путем частичного открытия рабочего проходного сечения. Предохранительные клапаны предохраняют систему от давления, превышающего установленное значение. Они действуют лишь при аварийных ситуациях (пропускают масло из напорной линии в сливную) в отличие от переливных клапанов, предназначенных для поддержания заданного давления путем непрерывного слива масла во время работы.

Напорный клапан типа Г54-3 может применяться в случае, когда требуется предохранить систему от чрезмерного давления, а также в качестве переливного. Напорный (предохранительный) клапан регулируется на максимально допустимое давление, а переливной - на рабочее давление. Клапаны выбираются по номинальному расходу и давлению (1; 2,5; 6,3; 10; 20 и 32 МПа). Делители потока типа КД] в обычном исполнении предназначены для деления потока жидкости на две части с целью синхронизации движения исполнительных органов независимо от значения действующих на них нагрузок. Выбор делителей потока производится по расходу на входе в клапан.

1.3. Выбор фильтра и места его  установки

Применение гидрооборудования высокого класса точности, предъявляет повышенные требования к очистке гидросистем машин и чистоте рабочих жидкостей. Фильтр может эффективно защищать только тот элемент гидропривода, который установлен непосредственно после него, остальные элементы получают лишь частичную защиту. Поэтому в ГП применяют различные сочетания фильтров, установленных на разных линиях гидросистемы. Существует три способа установки фильтров в гидросистемах: во всасывающей, напорной или сливной магистралях. Для каждого способа установки промышленностью выпускаются специально предназначенные конструкции фильтров.

Приемные (всасывающие) фильтры, работающие, как правило, в режиме полнопоточной фильтрации, предотвращают попадание в насос сравнительно крупных частиц. Поскольку приемные фильтры ухудшают условия всасывания насосов, перепад давления на фильтроэлементе не должен превышать 0,018 - 0,02 МПа. Предпочтительно использование приемных фильтров типа ФВСМ с указателем загрязненности (тонкость фильтрации 80 мкм) Сливные фильтры позволяют обеспечить тонкую фильтрацию рабочей жидкости; они компактны, могут встраиваться в баки, однако в ряде случаев создают нежелательное повышение давления подпора в сливной линии. Установка фильтра в сливную линию применяется наиболее часто, т.к. в этом случае он не испытывает высокого давления, не создает дополнительного сопротивления на входе в насос. Это очень важно с точки зрения предупреждения возникновения в насосе кавитации. Установленный таким образом фильтр задерживает все механические примеси в рабочей жидкости, возвращающейся в бак. В сливных магистралях устанавливают фильтры типа ФС Напорные фильтры обеспечивают полнопоточную фильтрацию. Их применение целесообразно для защиты высокочувствительных к засорению элементов гидросистемы. Такие фильтры металлоемки, а также сравнительно дороги. В напорных гидролиниях устанавливают фильтры типа ФГМ32 [Ф10 фильтры напорные по ГОСТ 16026-80 и ГОСТ 21329-75.

Выбор фильтров необходимо производить по давлению, номинальному расходу рабочей жидкости и тонкости фильтрации.

1.4. Использование гидроаккумулятора

Гидравлические аккумуляторы используются в ГП для решения разнообразных задач. Чаще всего это накопление энергии при медленных движениях рабочих органов с тем, чтобы кратковременно получать достаточно большие потоки рабочей жидкости под давлением при ускоренных перемещениях. Это дает возможность существенно уменьшить номинальную подачу насоса и, следовательно, повысить КПД ГП. В зажимных механизмах применение аккумуляторов позволяет компенсировать утечки в гидросистеме и поддерживать необходимое давление зажима при включенном (или разгруженном) насосе, часто аккумуляторы используются для уменьшения пульсации давления или исключения пиков давления в переходных режимах.

Из трех типов аккумуляторов (грузовые, пружинные и пневмогидравлические) наибольшее применение имеют пневмогидравлические

1.5. Выбор рабочей жидкости

Рабочая жидкость для ГП подбирается исходя из конкретных условий его эксплуатации. Например, одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, автогрейдеры, стреловые самоходные краны, погрузчики, копровое оборудование эксплуатируются в течение всего года, а шнекороторные и плужные снегоочистители, снегопогрузчики, рыхлители мерзлого грунта предназначены для эксплуатации в осенне-зимний и преимущественно зимний период. Машины стройиндустрии, машины для разработки пород способом гидромеханизации и др. эксплуатируются при температуре воздуха не ниже 0 ºC. Температура внешней среды оказывает наибольшее влияние на надежность и работоспособность ГП.

Для обеспечения работоспособности ГП в районах с холодным климатом жидкость должна иметь температуру застывания на 10…15ºС ниже возможной рабочей температуры, вязкость при +50ºС - не менее 10 мм2/сек, при - 40ºС - не более 1500 мм2/сек, а также широкий температурный предел применения по условию прокачиваемости насосами различных типов. Лучшей принято считать такую рабочую жидкость, вязкость которой мало изменяется при изменении температуры.

2. Определение основных  параметров гидроприводов поступательного  движения

Расчеты гидроприводов поступательного движения поясним применительно к схеме гидропривода, представленной на рис.2.

Рис.2.1 Схема гидропривода поступательного движения

Заданными величинами являются: 
- усилие R, приложенное к штоку поршня; 
- ход S поршня; 
- длины труб l1 и l2, с помощью которых соединяются все элементы привода; 
- время рабочего tР и обратного (холостого) tХ хода поршня; 
- рекомендуемый для использования в системе насос (регулируемы или нерегулируемый); 
- сорт масла, используемый в ГП; 
- допустимая температура масла ТМ и температура окружающей среды ТО.

Решение задачи необходимо начать с определения давлений в полостях силового цилиндра и выбора его диаметра. Обозначим полезные площади силового цилиндра через F1 и F2, а давления в этих полостях черезP1 и P2:

где D и d - диаметры силового цилиндра и штока поршня.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра, пренебрегая силами инерции:

P1 F1 = P2 F2 + R + T

где T - сила трения, приложенная к поршню.

Применительно к гидроприводу, представленному на рис.2, давление P1 в поршневой полости определится:

P1 = PH - ΔPзол 1 - ΔP1

а давление P2 в штоковой полости

P2 = ΔPзол 2 + ΔP2 + ΔPДР + ΔPФ

где PH - давление развиваемое насосом, МПа; 
ΔPзол 1 и ΔPзол 2 - перепады давлений на гидрораспределителе, МПа; 
P1 и P2 - перепады давлений в трубах l1 и l2, МПа; 
ΔPДР - перепад давления на дросселе, МПа; 
ΔPФ - перепад давления на фильтре, МПа.

Определим площади гидроцилиндра F1 и F2, используя соотношения

где υПР и υПХ -скорости поршня при рабочем и холостом ходе.

Преобразуем (2.4) к виду

Расход жидкости, поступающий в силовой цилиндр можно определить по формуле

Q = υ П · F

Если расход жидкости, поступающий в силовой цилиндр при рабочем и холостом ходе одинаков, то

Q = υ ПP · F1 и Q = υ ПX · F2

поэтому

Из этого следует, что:

откуда

Следовательно, выражение площади поршня в штоковой полости примет вид:

Подставляя выражения площадей F1 и F2 в (2.1), сможем определить диаметр поршня

или

Следовательно, для определения диаметра поршня цилиндра D нужно найти силу трения T и перепады давлений. Сила трения T увеличивается с ростом давления жидкости в цилиндре и лежит в диапазоне

T = (0.02...0.01)R

Для определения перепадов давлений воспользуемся справочными данными, приведенными в табл.2.1

Таблица 2.1

Справочные данные для определения перепадов давлений 
в гидроаппаратуре при номинальном расходе* 
(Здесь и далее параметры, обозначенные *, относятся к номинальным)

Применительно к гидроприводу, представленному на рис.2, перепады давлений на золотнике, дросселе и фильтре примем следующим образом

ΔPзол 1 = ΔPзол 2 = 0,2 МПа; 
ΔPДР = 0,3 МПа; 
ΔPФ = 0,1 МПа.

Так как перепады давлений в трубах на первой стадии расчета определить нельзя, то примем предварительно ΔP1 = ΔP2 = 0,2 МПа.

Схемой гидропривода, представленной на рис.2.1, предусматривается нерегулируемый насос. В приложении 7 приведены таблицы с техническими характеристиками насосов и гидромоторов. Выбор насоса производим по номинальному давлению P* и подаче Q.

В зависимости от выбранного насоса, задавшись давлением PН , по формуле находим диаметр D силового цилиндра и в соответствии с ГОСТ 12447-80 округляем до ближайшего стандартного значения в большую сторону.

Стандартные диаметры цилиндров, мм: 5; 8; 10; 14; 16; 18; 20; 25; 28; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 63; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200; 220; 250; 280; 320; 360; 400; 500; 630; 800.

При R = 10…20 кН давление PН   1,6 МПа;  
при R = 20…30 кН - PН   3,2 МПа;  
при R = 30…50 кН - PН   6,3 МПа;  
при R = 50…100 кН - PН   10 МПа. 

Для штоков, работающих на сжатие, должно соблюдаться условие S < 10D. При S > 10D шток следует проверить на продольный изгиб. Величину заделки штока принимают равной диаметру D гидроцилиндра, а длину образующей поршня 0,8D.

а при   по формуле

Допускаемые напряжения на растяжение принимаются равными для стали [σ] = 50…60 МПа (1·106 Н/м2), для чугуна [σ] = 15 МПа (1·106 Н/ м2). Коэффициент запаса k = 1,25…2,5.

Далее определяется расход жидкости, поступающей в левую поршневую полость силового цилиндра,

где υПР - скорость перемещения поршня, м/с.

Подача насоса с учетом утечек рабочей жидкости определится по формуле:

QH = (QЦ + ΔQЦ )·z + ΔQзол + ΔQПК

где ΔQЦ - утечки жидкости в силовом цилиндре; 
ΔQзол - утечки в золотнике; 
ΔQПК - утечки через предохранительный клапан; 
z - число гидроцилиндров.

Утечки через предохранительный клапан примем ΔQПК = 0,1QН. Утечки в силовом цилиндре ΔQЦприведены в табл.2.2, в золотнике ΔQзол - в табл.2.3.

Таблица 2.2

Основные параметры гидроцилиндров

Таблица 2.3

Утечки жидкости в золотнике

Если P1 отличается от P* , то действительные утечки жидкости в силовом цилиндре и в золотнике можно найти из выражений

Подставим полученные значения QЦ 1, QЦ, Qзол, QПК в уравнение (2.11) и найдем QН. Для подбора насоса обратимся к прил.7. Так как QН = qnη0, то рабочий объем насоса

где n - частота вращения ротора насоса; 
η0 - объемный КПД насоса.

В технических характеристиках насосов указаны номинальные значения объемного КПД η0* при номинальном давлении P*. Если PН отличается от P*, то действительный объемный КПД можно найти из выражения

Вычислив η0, находим согласно (2.12) рабочий объем q, и по нему подбираем насос. После этого уточняем расход жидкости, сбрасываемый через предохранительный клапан в приемный бак:

Таблица 2.4

Рекомендуемые значения скорости рабочей жидкости

Имея в виду, что

где dТ - внутренний диаметр труб, получим

Найденное значение диаметра dТ округляем до ближайшего стандартного в большую строну согласно ГОСТ 16516-80 Стандартные значения внутреннего диаметра труб: 1; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250.

В гидроприводе применяются стальные бесшовные холоднодеформированные трубы по ГОСТ 8734-75, медные трубы по ГОСТ 617-72, алюминиевые трубы по ГОСТ 18475-82, латунные трубы по ГОСТ 494-76 и рукава высокого давления по ГОСТ 6286-73 [Технические характеристики жестких и эластичных трубопроводов, поворотных соединений трубопроводов подробно изложены в [Уточнив значение dТ, находим среднюю скорость движения жидкости в трубах: