МинистерствоНауки и Образования Украины
Донбасская ГосударственнаяМашиностроительная Академия
Кафедраавтоматизации производственных процессов
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА
ккурсовой работе по дисциплине
«Исполнительныемеханизмы и регулирующие органы»
Выполнил
студент гр. АПП-04-2
Измайлов А.О.
Руководитель
Чекулаев Е.Ф.
Краматорск 2008
РЕФЕРАТ
Расчетно-пояснительная запискасодержит 32 страницы, 8 рисунков, 1 таблицу, 2 приложения и 7 источников.
В данной курсовой работепроектируется следящий гидропривод с дроссельным регулированием скоростидвижения механизма вращения сверла вертикально-сверлильного станка сдросселями, установленными на входе и выходе из гидродвигателя.
Вертикально-сверлильные станкипредназначены для выполнения операций сверления, развертки, зенкования, а такженарезания внутренних резьб, цекования и т.д.
Проектируемый в данной работегидропривод включает в себя предохранительную аппаратуру, аппаратуру дляконтроля режимов работы, очистки рабочей среды, а также двустороннийгидравлический замок, облегчающий проведение ремонтно-профилактических работ.
СЛЕДЯЩИЙ ГИДРОПРИВОД, ДРОССЕЛИРУЮЩИЙРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ, ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАМОК, ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН, ТРУБОПРОВОД,ФИЛЬТР, ПРОПОРЦИОНАЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Широкое использование гидроприводов встанкостроении определяется рядом их существенных преимуществ перед другимитипами приводов и, прежде всего, возможностью получения больших усилий имощностей при ограниченных размерах рабочих органов.
Под гидроприводом понимаютсовокупность устройств (в число которых входит один или несколько объемныхгидродвигателей или гидроцилиндров), предназначенную для приведения в движениемеханизмов и машин посредством рабочей жидкости под давлением.
В качестве рабочей жидкости встаночных гидроприводах используется минеральное масло.
Гидроприводы обеспечивают широкийдиапазон бесступенчатого регулирования скорости (при условии хорошей плавностидвижения), возможность работы в динамических режимах с требуемым качествомпереходных процессов, защиту системы от перегрузки и точный контрольдействующих усилий.
Применение гидроприводов встанкостроении позволяет упростить кинематику станков, снизить металлоемкость,повысить точность, надежность и уровень автоматизации.
В современных станках и гибкихпроизводственных системах с высокой степенью автоматизации цикла требуетсяреализация множества различных движений. Компактные гидродвигатели легковстроить в станочные механизмы и соединить трубопроводами с насоснойустановкой, имеющей один или два насоса.
Такая система открывает широкиевозможности для автоматизации цикла, контроля и оптимизации рабочих процессов,применения копировальных, адаптивных или программных систем управления, легкоподдается модернизации, состоит, главным образом из унифицированных изделий,серийно выпускаемых специализированными заводами.
К основным преимуществам гидроприводаследует также достаточно высокое значение КПД, повышенную жесткость идолговечность.
1 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГИДРОПРИВОДА
Проектируемый гидропривод предназначендля дроссельного регулирования скорости вращения сверлавертикально-сверлильного станка. Общий вид вертикально-сверлильного станкапоказан на рис. 1.1
/>
Рисунок 1.1 – Общий видвертикально-сверлильного станка.
Заданному технологическому процессусоответствует схема гидропривода, представленная на рис 1.2.
С целью обеспечения необходимыхпараметров гидродвигателя используется дросселирующий распределитель спропорциональным электрическим управлением, который обеспечивает дроссельноерегулирование на входе в гидродвигатель.
гидропривод давлениесопротивление потеря
/>
1 — насос с нерегулируемым рабочимобьемом; 2 — приводной электродвигатель; 3 — предохранительный клапан спропорциональним электрическим регулированием; 4 — гидроразделитель сэлектрогидравлическим управлением; 5 — односторонний гидравлический замок; 6 —гидродвигатель с нерегулированым рабочим объемом; 7 — тахогенератор; 8 — усилитель;9 — регулированый дросель з пропорциональным электрическим управлением; 10 — приемный фильтр; 11 — манометры; 12 —реле давления; 13 — напорный фильтр; 14 — сливной фильтр.
Рисунок 1.2 – Функциональная схемаследящего гидропривода с дроселем, установленым на выходе из ИМ.
2 ВЫБОР ГИДРОДВИГАТЕЛЯ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
Гидравлический двигатель объемноготипа выбирается при соблюдении следующих условий:
- крутящий момент />;
- максимальнаячастота вращения />;
- минимальнаячастота вращения />,
где индексом “п” обозначеныпаспортные значения, индексом “з” – заданные.
Учитывая эти требования, выбираемаксиально-поршневой гидродвигатель с нерегулируемым рабочим объемом />, который имеет такие техническиехарактеристики:
Давление на входе:/>.
Номинальный крутящий момент: />.
Рабочий объем: />.
Максимальная частота вращения: />.
Номинальная частота вращения: />.
Минимальная частота вращения: />.
Номинальная продуктивность: />.
Номинальная мощность: />.
Объемный КПД: />.
Механический КПД: />.
Общий КПД: />.
Момент инерции вращающихся масс:/>.
Для выбранного типоразмера двигателя определяем такиепараметры:
- полезный перепаддавлений при условии, что давление на выходе гидродвигателя />:
/>,
где /> – необходимый перепад давлений, />;
/> – давление на входном патрубкегидропривода, />;
/> – давление на выходном патрубкегидропривода, />;
/> – рабочий объем выбранногогидродвигателя;
- максимальныйрасход жидкости на входе в гидродвигатель:
/>,
где /> – заданная максимальная скоростьвращения ротора гидродвигателя;
/> – объемный КПД гидродвигателя;
- максимальныйрасход жидкости на выходе из гидродвигателя:
/>.
3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРУБОПРОВОДОВ
Гидравлический расчет трубопроводовзаключается в выборе оптимального внутреннего диаметра трубы и определениипотерь давления по длине трубопровода.
На участках трубопровода АС, СБ и СВустанавливаются трубы с одинаковым внутренним диаметром трубопровода, а научастке СГ – труба с другим внутренним диаметром.
Расчетные значения внутреннихдиаметров трубопроводов:
- на участках АС,СБ и СВ:
/>,
где /> - допустимая скорость движения внагнетательном трубопроводе;
- на участке СГ:
/>,
где /> - допустимая скорость движения всливном трубопроводе.
Из справочника выбираются трубы изстали 20, которые имеют внутренний диаметр:
- на участках АС,СБ и СВ – 28мм />;
- на участке СГ –39мм />.
Тогда действительная скоростьдвижения жидкости в трубопроводах:
- на участках АС,СБ:
/>;
- на участке ВС:
/>;
- на участке СГ:
/>.
По справочнику выбирается тип рабочейжидкости – масло “Индустриальное 20А”, которое имеет такие характеристики:кинематический коэффициент вязкости />, плотность />.
Для каждого участка трубопроводарассчитываем число Рейнольдса:
- длянагнетательного трубопровода (участок АБ):
/>;
- для трубопроводана участке ВС:
/>;
- для сливноготрубопровода (участок СГ):
/>.
Таким образом, на всех участкахтрубопровода будет существовать турбулентный режим движения жидкости (т.к. />) в“гидравлически гладкой” трубе.
Рассчитываем коэффициентсопротивления при турбулентном режиме движения жидкости:
- длянагнетательного трубопровода АБ:
/>;
- для трубопроводана участке ВС:
/>;
- для сливноготрубопровода (участок СГ):
/>.
Таким образом, потери давления подлине трубопровода составят:
- длянагнетательного трубопровода АБ:
/>,
где /> – длина участка АБ трубопровода,м;
/> – плотность рабочей жидкости, />;
/> – внутренний диаметр выбраннойтрубы, м;
- для сливноготрубопровода ВГ:
/>
где />и/>– соответственно длина участковВС и СГ трубопровода.
4 РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В МЕСТНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЯХ
Суммарные потери давления в местныхгидравлических сопротивлениях при последовательном их соединении определяютсякак сумма потерь давления в отдельных сопротивлениях.
Из справочника выбираем значениякоэффициентов сопротивления для каждого типа сопротивления:
/>; />; />; />.
Рассчитываем потери давления жидкостипри прохождении местных сопротивлений:
- длянагнетательного трубопровода АБ:
/>
- для сливноготрубопровода ВГ:
/>
5 ВЫБОР ГИДРОАППАРАТУРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ АППАРАТЫ
Вся гидроаппаратура выбирается изсправочников при соблюдении условий:
/>,
/>,
где /> и /> – соответственно номинальноепаспортное давление гидроаппарата и расчетный перепад давлений наисполнительном механизме.
/> и /> – соответственно номинальныйпаспортный объемный расход и расчетный максимальный расход на входе висполнительный механизм.
Для выбранного типоразмера аппаратаопределяется действительная потеря давления при прохождении расчетного расходачерез гидроаппарат:
/>,
где /> – потери давления при прохождениичерез гидроаппарат номинального паспортного расхода />;
/> – действительное значение расхода жидкости, проходящейчерез исполнительный механизм.
5.1 Предохранительныйклапан с пропорциональным электрическим управлением КРВП -25, которыйимеет такие характеристики
/>;
/>;
/>;
/>.
Действительные потери давления:
/>.
5.2 Дросселирующийраспределитель с пропорциональным электрическим управлением РП20,который имеет параметры
/>;
/>
/>;
/>
/>;
/>
/>;
/>
/>;
/>;
/>;
/>.
Действительные потери давления:
- в нагнетательномтрубопроводе АБ:
/>;
- в сливномтрубопроводе ВГ:
/>.
5.3 Одностороннийгидравлический замок КУ-32
/>;
/>;
/>;
/>.
Определяем потери давления припрохождении жидкости через замок:
- в нагнетательномтрубопроводе АБ:
/>;
- в сливномтрубопроводе ВГ:
/>.
5.4 Напорныйфильтр 3ФГМ32
/>;
/>;
/>.
Определяем потери давления припрохождении жидкости через фильтр:
/>.
5.5 Сливнойфильтр ФС400
/>;
/>;
/>.
Определяем потери давления припрохождении жидкости через фильтр:
/>.
5.6 Реледавления ВПГ62-11
/>;
/>.
5.7 Манометры МТП-60
/>;
класс точности 1.5.
Определяем суммарные потери давленияв гидроаппаратуре:
- в нагнетательнойлинии АБ:
/>
- в сливной линииВГ:
/>
6 РАСЧЕТ СУММАРНЫХ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В НАГНЕТАТЕЛЬНОМ И СЛИВНОМТРУБОПРОВОДАХ
Так как участки сопротивлениясоединяются последовательно, то суммарные потери давления в нагнетательной исливной линиях определяются алгебраической суммой всех потерь давления вэлементах трубопровода.
Суммарные потери давлениярассчитываются:
- в нагнетательномтрубопроводе АБ:
/>;
- в сливномтрубопроводе ВГ:
/>.
7 ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
Выбрать из справочника источник питаниягидросистемы с необходимыми параметрами можно только после определения расчетныхзначений необходимых давления и расхода на выходе из насосной установки.
Расчетное значение давления на выходеиз насоса:
/>.
Расчетное значение расхода жидкости на выходеопределяется:
/>,
где /> – расчетный расход жидкости на входе гидродвигатель, />;
/> – суммарное значение утечекжидкости через капиллярные щели кинематических пар аппаратов, расположенных внагнетательной линии АБ;
/>;
/> – потеря, которая необходима дляфункционирования гидравлической системы управления дросселирующимраспределителем, />.
Тогда продуктивность насоса навыходе:
/>.
Выбираем насос из справочника присоблюдении таких условий:
· давление />;
· продуктивность />.
На основании этих условий выбираем радиально-поршневойнасос РМНА-125, имеющий следующуютехническую характеристику:
Давление на входе: />.
Номинальная продуктивность: />.
Рабочий объем: />.
Номинальная частота вращения: />.
Объемный КПД: />.
Механический КПД: />.
Общий КПД: />.
8 РАСЧЕТ ВЫСОТЫ ВСАСЫВАНИЯ
Уравнение равновесия давлений вовсасывающем трубопроводе:
/>
где /> – давление столба жидкости во всасывающем трубопроводе;
/> –потеря давления по длине всасывающего трубопровода;
/>–потеря давления при прохождении жидкости через приемный фильтр.
Расчет высоты всасывания /> осуществляетсяс условием обеспечения во всасывающем трубопроводе ламинарного режима движенияжидкости /> и перепада давлений.
Расход жидкости во всасывающемтрубопроводе рассчитывается:
/>,
где /> –номинальное паспортное значение продуктиности насоса, />;
/>– объемный КПД выбранного насоса.
Из справочника выберемприемный фильтр ФВСМ80 при соблюдении условия />, который имеет параметры />; />;
точность фильтрации 80мкм.
Потери давления припрохождении через приемный фильтр:
/>.
Рассчетное значениевнутреннего диаметра трубы:
/>.
Выбирается труба,которая имеет внутренний диаметр d = 100 мм.
Действительная скорость движенияжидкости в трубопроводе:
/>.
Число Рейнольдса:
/>.
Коэффициентсопротивления:
/>.
Потери давления придвижении жидкости по длине трубопровода:
/>.
Отсюда определяетсявысота всасывания:
/>.
9 РАСЧЕТ НАГНЕТАТЕЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ
Прочностной расчет трубопроводазаключается в определении толщины стенки трубы из условий прочности. Труба рассматриваетсякак тонкостенная оболочка, подверженная равномерно распределенному давлению />. С достаточнойдля инженерной практики точностью минимально допустимая толщина стенки определяется:
/>,
где /> - допустимое напряжение для трубыиз стали 20, />.
Труба выбранная ранее длянагнетательного трубопровода, удовлетворяет требованиям прочности, т.к. еетолщина (4мм) больше минимально допустимой (3,5мм).
10 ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Расчетная мощность на валу насоса:
/>,
где /> - расчетное значение давления, />;
/> - общий КПД насоса, />.
По справочнику выбираемасинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором общепромышленногоназначения 5АН280А-6, который имеет такие параметры:
Номинальная мощность:/>.
Синхронная частота вращения: />.
Это удовлетворяет условиям /> и />.
11 РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ И СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Коэффициенты сопротивления примаксимальной проходной площади дросселя /> определяются:
/>
/>
/>
/>
Правильность проделанных расчетовпроверяется определением максимальной проходной площади дросселя при заданномкрутящем моменте />:
/>
Механические характеристикипредставляют собой зависимость n = f(М) при постоянном значениипроходной площади дросселя Sд = const, а скоростныехарактеристики – зависимость n = f(Sд) при М = cons. Механическиеи скоростные характеристики строятся по зависимости:
/>, об/с.
Максимально возможная скорость вращения вала гидродвигателя:
/>
Максимальный крутящий момент на валу гидродвигателя:
/>
Если не учитывать потери давления подлине трубопровода и в местных гидравлических сопротивлениях, которые маловлияют на значение коэффициентов />, />, /> и />, то можно определить минимальныепроходные площади дросселей при заданном крутящем моменте />:
/>
Изменяя значения крутящего момента Ми площади дросселей Sд от минимального значения до максимального,можно построить любое количество механических и скоростных характеристик.
В данном гидроприводе установленконкретный насос, который обеспечивает на выходе расход />. Это обуславливает максимальную(граничную) частоту вращения вала двигателя />.
Расчетные значения, необходимые дляпостроения характеристик, приведены в табл. 11.1. Исходя из этих данных строиммеханические (рис. 11.1) и скоростные (рис 11.2) характеристи гидропривода.
Таблица 11.1 – Расчет параметров гидропривода.
Момент М
на валу,
Н·м Скорость вращения вала n, об/с, при
/>
/>
/>
Ммакс=269.8
МЗ=253 1.345 22.781 15.798
0,75·МЗ=189.75 2.946 - -
0,5·МЗ=126.5 3.943 - -
0,25·МЗ=63.25 4.734 - - М=0 5.411 - -
/>
Рисунок 11.1 – Механическиехарактеристики гидропривода.
/>
Рисунок 11.2 – Скоростныехарактеристики гидропривода.
12 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ МОДЕЛИ СЛЕДЯЩЕГО ГИДРОПРИВОДА
12.1 Передаточная функцияэлектронного усилителя-сумматора БУ2110
/>.
12.2 Передаточная функцияпропорциональных электромагнитов ПЕМ6–2 дросселирующего распределителя РП20
/>.
12.3 Расчет жидкости через сопло присреднем положении заслонки гидравлического моста дросселирующего распределителяРП20
/>
12.4 Коэффициент усилениягидравлического моста рассчитывается
– по расходу жидкости:
/>
– по давлению:
/>
12.5 Эффективная торцевая площадьчетырехщелевого золотника гидравлического замка
/>
12.6 Динамическая жесткость потокажидкости через четырехщелевой золотник
/>
12.7 Коэффициент передачигидравлического моста
/>
12.8 Постоянная временигидравлического моста
/>
12.9 Относительный коэффициентдемпфирования колебаний
/>
12.10 Передаточная функциячетырехщелевого дросселирующего распределителя
/>
Тогда, передаточная функциядросселирующего распределителя с пропорциональным электрическим управлениемимеет вид:
/>
12.11 Передаточная функциягидродвигателя
/>/>
где /> коэффициент передачи реальногогидродвигателя,
/>
/> коэффициент усиления по скоростиидеального гидродвигателя,
/>,
/> коэффициент жесткостимеханической характеристики,
/>
/> коэффициент утечек жидкости черезкапиллярные щели кинематических пар гидродвигателя,
/>
/> коэффициент усиления по нагрузке,
/>
/> приведенный коэффициент вязкоготрения, />
/> постоянная временигидродвигателя,
/>
где /> – момент инерции вращающихсямасс гидродвигателя и рабочего механизма;
/> – приведенный модуль упругостистенок цилиндров гидродвигателя и жидкости, />.
Относительный коэффициентдемпфирования колебаний:
/>
12.12 Передаточная функция обратнойсвязи по скорости
Обратная связь обеспечиваетсятахогенератором ТД-101. При напряжении на входе в усилитель-сумматор +9Всистема обратной связи при максимальной частоте вращения вала гидродвигателя навыходе тахогенератора создает напряжение +24 В.
Тогда передаточная функция обратнойсвязи:
/>
Согласно структурной схемединамической модели следящего гидропривода (рис. 12.1) при помощи пакета MatLab проводим исследование переходногопроцесса функционирования привода при максимальной скорости движения иотсутствии статического крутящего момента (рис.12.2).
/>
Рисунок 12.1 – Структурная схемадинамической модели следящего гидропривода с дроссельным регулированием.
/>
Рисунок 12.2 – График переходногопроцесса следящего гидропривода с дроссельным регулированием скорости движения.
Из графика переходного процесса мывидим, что система является неустойчивой. Для обеспечения устойчивостипереходного процесса, а также для обеспечения требуемых показателей качества системыбыли предприняты следующие меры:
1) Увеличенкоэффициент передачи блока управления БУ2110: />;
2) Введено корректирующеезвено в цепь дросселирующего распределителя. Передаточная функция звена />.
Окончательная структурная схемасистемы показана на рис. 12.3, а ее график переходного процесса – на рис. 12.4.
/>
Рисунок 12.3 – Скорректированнаяструктурная схема динамической модели следящего гидропривода с дроссельнымрегулированием.
/>
Рисунок 12.4 – График переходногопроцесса следящего гидропривода с дроссельным регулированием скорости движения.
Анализ переходного процессадинамической модели следящего гидропривода (рис. 12.4) показывает, что прискорректированных параметрах система устойчива. Полученная длительностьпереходного процесса />с удовлетворяет заданной в условиидлительности />с.
ВЫВОДЫ
В ходе выполнения курсовой работы приобрели навыки проектирования следящих гидростатических гидроприводовс дроссельным регулированием скорости механизма главного движения станка сдросселем, установленным на выходе из гидродвигатель.
В работе было выполнено: проектированиепринципиальной схемы следящего гидропривода с дроссельным регулированиемскорости, произведен выбор стандартных элементов гидравлической аппаратура,которая выбирается из справочника при соблюдении определенных условий,рассчитаны потери давления на каждом элементе привода, и в целом по всемугидроприводу, гидравлический расчет трубопроводов, выбор источника питания.Рассчитали трубопровод на прочность, выбрали приводной электродвигатель. Былипроведены расчеты и построения механических и скоростных характеристик приводав установившемся режиме, анализ и синтез динамической линеаризованной модели приводас целью обеспечения устойчивости привода по характеру переходного процесса с использованиемпродукта MatLab.
В ходе анализа модели гидроприводадинамическая система оказалась неустойчива т.к. переходной процесс имелколебательный характер. После введения в систему корректирующего звена иизменения коэффициента передачи усилителя /> динамическая система сталаустойчивой, время переходного процесса не превышает заданного.
Таким образом, спроектированныйгидропривод можно использовать в станочной промышленности т.к. он соответствуетвсем требованиям по точности и надежности работы.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1 Анурьев В.И. Справочник конструктора– машиностроителя: В 3 т. – М: Машиностроение, 1980. – Т. З. – 560 с.
2 Башта Т.М. и др. Гидравлика,гидромашины и гидроприводы. – М.: Машиностроение, 1982. – 422 с.
3 Свешников В.К., Усов А. А. Станочныегидроприводы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1988. – 512 с.
4 Попов Д.Н. Динамика и регулированиегидро- и пневмосистем. – М.: Машиностроение, 1988. – 512 с.
5 Федорец В.О. и др. Гидроприводы игидропневмоавтоматика. – К.: Высшая школа, 1995. – 464 с.
6 Чупраков Ю. И. Гидропривод и средствагидропневмоавтоматики. – М.: Машиностроение, 1979. – 232 с.
7 Чекулаев Е.Ф. Методические указания ккурсовой работе по дисциплине «Исполнительные механизмы и регулирующие органы»– Краматорск: ДГМА, 2003. – 88с.