книги из ГПНТБ / Кожевников С.Н. Гидравлический и пневматический приводы металлургических машин
.pdfС. Н. КОЖЕВНИКОВ, В. Ф. ПЕШЛТ
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОДЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ М А Ш И Н
М О С К В А « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е » 1 9 7 3
К 58 УДК [62.82 + 62.85]: 669.02. 001.24
Кожевников С. Н., Пешат В. Ф. Гидравлический и пневматический приводы металлургических машин. М., «Машиностроение», 1973, 360 с.
В книге описаны механизмы и устройства с гидрав лическим и пневматическим приводами металлургиче ских машин, дай анализ конструкций этих механизмов, указаны основные требования при эксплуатации. Рас смотрены теоретические положения, позволяющие оце нить характер работы приводов и произвести расчеты, связанные с их проектированием. Результаты динами ческих расчетов, выполненные с помощью электронных моделирующих установок, сопоставлены с эксперимен тальными данными.
Книга предназначена для инженерно-технических ра ботников машиностроительных заводов и институтов, занятых проектированием н конструированием метал лургических механизмов и машин с гидравлическим и пневматическим приводами, а также для инженеров-ме хаников металлургических заводов. Ил. 228, список лит 41 назв.
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
Рецензент д-р техн. паук проф. В. Н. Прокофьев
К3121—148 148--73 038(01)—73
© Издательство «Машиностроение», 1973 г.
ВВЕДЕНИЕ
Производство металла на металлургических заводах связано с большим расходом энергии, особенно электрической, для при ведения в действие всевозможных исполнительных механизмов, поэтому более рациональное и экономное использование энер гии имеет большое народнохозяйственное значение.
Широкое использование гидравлического привода в различ ных отраслях промышленности — автостроении, авиастроении, станкостроении, экскаваторостроении, тяжелом машиностроении (прессы) и др. обязано ряду его положительных свойств, поз воляющих ему с успехом конкурировать с электрическим приво дом. Оснований для все более широкого внедрения гидроприво да в практику машиностроения несколько. Прежде всего следует указать на возможность создания высоких давлений до 320— 400 и даже 1000—1200 кгс/см2 , что позволяет реализовать боль шие рабочие усилия на плунжерах (поршнях) при относительно малых их размерах. Кроме того, гидравлическую энергию, как
иэлектрическую, можно передавать на относительно большие расстояния по трубопроводам в любом направлении, она может дробиться на любое число'частей. При использовании гидравли ческой энергии особенно просто воспроизводятся прямолинейные
ивращательные движения рабочего исполнительного механизма. Поэтому, наряду с электрическим приводом, применяемым в на стоящее время в металлургических машинах, следует расширять использование гидравлического и пневматического приводов, ко торые имеют свои достоинства, особенно в применении к вспо могательным машинам и механизмам, движения исполнительных органов которых наиболее сложны и разнообразны.
Г и д р а в л и ч е с к и й |
п р и в о д в |
качестве |
исполнительного |
|||||||
механизма |
применяется |
при выполнении |
основных операций в |
|||||||
трубных процессах; в процессах для обжатия |
поковок и других |
|||||||||
заготовок; |
в стыкосварочных |
машинах |
при |
опрессовке |
концов |
|||||
заготовок, |
предназначенных |
для |
дальнейшей |
(«бесконечной») |
||||||
прокатки; для подачи инструмента |
(обкатных |
роликов) |
при об |
|||||||
жатии заготовок в колесопрокатных и |
кольцепрокатных ста |
|||||||||
нах; |
в петледержателях |
листопрокатных |
и штрипсовых |
станов |
||||||
для |
создания определенного |
натяжения |
полосы; для регулиро- |
3
вания толщины в листопрокатных станах путем распора вал ков; для подачи трубной заготовки в пнлнгримовых станах и в других агрегатах.
При использовании гидравлического привода в металлурги ческих машинах можно создать надежные и маневренные сис темы для тяжелых условий работы. Преимуществами такого привода являются:
возможность реализации больших (практически неограни ченных) рабочих усилий на плунжерах (поршнях) гидродвига телей при относительно малых их размерах, что уменьшает ме таллоемкость привода;
простота воспроизведения исполнительными механизмами прямолинейного и вращательного движений, и как следствие, отсутствие сложных и громоздких передач;
возможность воспроизводить заданные законы изменения усилий, скорости и перемещения исполнительных органов, а также производить частые и быстрые переключения. Это поз воляет осуществлять автоматизацию работы машины и надеж ную защиту элементов привода от перегрузок.
Кроме того, гидравлическую энергию можно посредством ее носителя — рабочей жидкости передавать по трубопроводам на значительные расстояния. Сложные гидросистемы можно синтезировать из простых стандартных или нормальных эле ментов.
Гидравлический привод предпочтительнее в тех случаях, ко гда требуется преодолевать большие усилия при малых скоро стях исполнительных органов. Электродвигатели, наиболее эко номично используемые при больших скоростях ведомых звень ев механизмов, нельзя применить при малых или средних ско ростях этих звеньев без промежуточных устройств — редукто ров.
Гидравлический привод при наличии двух источников пита ния, например непосредственно от аккумулятора и от мультип ликатора, обеспечивает скорость перемещения ведомого звена в зависимости от величины действующего на него усилия (быст рое перемещение при малом усилии и медленное перемещение при возрастании усилия). Необходимость в движении такого рода возникает, например, в приводе манипуляторов блюмин гов, линейки которого не только перемещают прокатываемую штуку поперек оси прокатки, но и осуществляют ее правку.
Сравнительно малое распространение гидропривода в ме таллургической промышленности можно объяснить недостаточ ными знаниями его качеств и особенностей и малым развитием теоретических исследований в области динамики металлургиче ских гидравлических механизмов. Наблюдались случаи, когда при проектировании гидропривода исходные параметры не со ответствовали требованиям его быстроходности, точности сраба тывания и надежности.
4
Так гидропривод для открытия и закрытия дорноупорного подшипника прошивного стана 200 в результате неправильного выбора его параметров при проектировании долгое время сдер живал достижение проектной производительности при эксплуа тации, а время срабатывания гидропривода подъема и опуска ния рольганга на этом стане не отвечало циклограмме. В колесо прокатном стане почти все механизмы имеют тихоходный гид равлический привод, особенно подъема и опускания верхнего наклонного вала, определяющий непроизводительные затраты времени стана. В других агрегатах, например, в гидравлических прессах и ножницах, в результате гидравлического удара при рез ком изменении скорости плунжеров наблюдаются разрывы тру бопроводов.
П и е в м э т и ч е с к и й п р и в о д в металлургических агре гатах получил применение главным образом в трубопрокатном производстве. В прошивных станах, автоматстанах, раскатных и других машинах для перемещения корпусов упорных подшипни ков со стержнем оправки используются длинноходовые (11 — 14 м) пневматические цилиндры, имеющие явное преимущество по сравнению с канатным, винтовым или цепным механизмами перемещения. Для последних в качестве привода лебедки необ ходим управляемый электродвигатель постоянного тока и мо тор-генераторная установка, в то время как для пневматических цилиндров необходима лишь подача сжатого воздуха от цехо вой магистрали. Для управления замками, сбрасывателями, клапанами и другими простейшими механизмами используются короткоходовые стационарные или качающиеся пневмоцилиндры, являющиеся одновременно и звеном кинематической цепи исполнительного механизма. Это позволяет иметь предельно простые конструкции.
Расширение использования пневматических механизмов ог раничивается затруднениями, связанными с управлением их движением. В частности, для позиционных механизмов (напри мер, таких, как подающие аппараты пильгерных установок, механизмов перемещения упорных подшипников и других) ос новной проблемой является выбор надежных тормозных устройств, гарантирующих точную остановку в пространстве и времени. Пневматические и механические (фрикционные и уп ругие) тормозные системы не могут обеспечить точной останов ки больших масс в требуемом положении вследствие случайно го разброса характеристик и наличия в пневматической системе остаточной потенциальной энергии. Более надежными здесь яв ляются гидравлические тормозные системы.
Новые качества приводные системы получают при использо вании г и д р о п н е в м а т и ч е с к и х механизмов, в которых сжатый воздух приводит в движение поршень пневматического цилиндра, связанный с поршнем гидравлического цилиндра. Из последнего нагнетается жидкость в соответствующую по-
5
лость исполнительного механизма. Такой комбинированной си стеме присущи достоинства и гибкость управления и регулиро вания гидравлической системы и, кроме того, не нужна насос ная установка.
В предлагаемой читателю книге систематизированы материа лы, опубликованные в отечественной и зарубежной печати, ма териалы, взятые из практики заводов и проектных организаций, касающиеся конкретных исполнительных механизмов доменного, сталеплавильного и прокатного производств. Как это будет вид но из дальнейшего, гидравлика и пневматика нашли себе более широкое применение в прокатном и трубопрокатном производ ствах, хотя возможности их использования в доменном и стале плавильном производствах тоже велики.
При комбинировании электрических (электронных) и гид равлических систем в металлургических агрегатах представля ется возможным создать надежную и компактную слаботочную электрическую систему, управляющую комплексом гидравличе
ских исполнительных механизмов, которые могут |
работать |
либо |
в позиционном или следящем режиме, либо как |
автоматические |
|
регуляторы процессов. |
|
|
Теоретический анализ работы гидравлических и пневматиче |
||
ских механизмов и методы их расчета изложены |
в книге |
глав |
ным образом по материалам исследований, выполненных на ка федре «Автоматизация металлургического оборудования» Днепропетровского металлургического института и в Институте черной металлургии АН УССР (ныне Минчермета СССР).
Авторы надеются, что книга позволит проектировщикам и заводским механикам более широко, а главное в тех местах, где это может обеспечить надежность и требуемую характеристику работы механизмов, внедрить гидравлику и пневматику.
Ч а с т ь п е р в а я ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД
Г л а в а I
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
П Р И Н Ц И П Д Е Й С Т В И Я Г И Д Р А В Л И Ч Е С К О Г О П Р И В О Д А
Гидравлические механизмы, используемые в качестве основ ных и вспомогательных приводов, по принципу действия мо гут быть разделены на два типа: статические или объемные и ди намические. В дальнейшем рассматриваются только статические
(объемные) гидравлические механизмы, как наиболее |
распро |
||
страненные в металлургии. |
|
|
|
В |
объемном гидравлическом приводе |
используется |
объем |
ный |
насос (поршневой, лопастной или |
какого-либо |
другого |
типа), вытесняющий жидкость из рабочего пространства в тру бопровод и далее через распределительный орган в рабочее про странство исполнительного механизма поступательного или вращательного действия. Питание исполнительного механизма может осуществляться от одного или нескольких насосов непо средственно или через аккумулятор (промежуточную емкость).
На рис. 1 показана принципиальная схема объемного гидро привода. Жидкость из резервуара 1 насосом 2 нагнетается в коллектор 3 и далее через четырехходовой распределительный орган 4 — в левую или правую полости гидравлического ци линдра 5. Из нерабочей полости цилиндра жидкость через дру гие ходы распределительного органа вытесняется в резервуар 1. Клапан 6, отрегулированный на определенное давление, пре дохраняет систему от перегрузки.
Во избежание значительной пульсации жидкости, нагнетае мой насосом, его, как правило, выполняют многоцилиндровым или же в систему включают аккумулятор.
Насос и гидравлический цилиндр с поршнем работают по принципу сообщающихся сосудов. Жидкость, вытесняемая пор шнем из цилиндра насоса, по трубопроводам поступает в рабо чую полость гидравлического цилиндра, сообщая движение поршню. Если пренебречь сжимаемостью жидкости и утечками ее через неплотности, то объем жидкости, нагнетаемой насосом, можно считать равным объему жидкости, расходуемой нспол-
7
нительным механизмом. Таким образом, жидкость в объемном гидравлическом приводе работает как транслятор или преобра зователь силы и скорости.
Качество работы |
гидравлических |
механизмов |
можно |
оце |
|||
нить лишь в том случае, если известны |
свойства рабочей |
жидко |
|||||
сти, от которых зависят гидравлические сопротивления |
и утеч |
||||||
ки через неплотности, изучены |
кинематическая и динамическая |
||||||
|
характеристики |
регулирующих |
и |
управ |
|||
|
ляющих |
механизмов и пр. |
|
|
|
|
|
|
|
Н Е К О Т О Р Ы Е С В О Й С Т В А Ж И Д К О С Т И |
|||||
CZ1N |
Рассмотрим |
некоторые, |
свойства |
ра |
|||
бочей |
жидкости, которые |
необходимо |
|||||
|
учитывать при проектировании и эксплуа |
||||||
|
тации гидравлических устройств. |
|
|
||||
|
|
Объемная прочность. |
|
|
|||
|
|
Кавитация |
|
|
|
|
|
|
В процессе работы гидроприводов тя- |
||||||
р и с < 1 |
желых машин во время неустановившего |
||||||
|
ся движения давление на отдельных |
||||||
|
участках гидросистемы может |
резко |
сни |
зиться до значения меньше атмосферного. Объем жидкости в этом случае увеличивается до некоторого критического значе ния, при котором происходит разрыв сплошности потока с об разованием пустот (каверн). Каверны заполняются нарами жидкости и растворенным в ней воздухом. При повышении дав ления жидкости размер каверны уменьшается и при ее закрытии происходит удар, если сжатие производится поршнем или дви жущимся столбом жидкости. Таким образом, способность рабо чей жидкости растворять и выделять растворенные в ней воздух и газы является ее отрицательным свойством как рабочего тела.
Растворение газа в жидкости происходит вблизи ее свобод ной поверхности, в то время как выделение газа протекает по всему объему. Относительное количество растворенного газа пропорционально давлению и зависит от времени контакта с жидкостью.
Давление, при котором нарушается сплошность жидкости в замкнутом объеме, определяет ее прочность при работе на рас тяжение. Это критическое давление меньше атмосферного, если контакт жидкости с воздухом и ее насыщение происходили при нормальных условиях.
Растворение воздуха в жидкости происходит |
при ее сливе |
в бак, в сливных и дренажных трубопроводах, |
не заполненных |
полностью жидкостью, и на других участках трассы. Растворе-' ние воздуха или газа в жидкости может происходить и при дав-
лениях выше атмосферного, например, в воздушных (газовых) аккумуляторах без разделительной перегородки.
При проектировании гидравлических систем следует стре миться к тому, чтобы рабочая жидкость не имела контакта с га зами при высоких давлениях во избежание их растворения в жидкости и последующего выделения при понижении давления. Кавитационные процессы, возникающие при этом, разрушающе действуют на насосные установки и исполнительные механизмы, коммуникации, вызывают шум и вибрации при работе гидросис тем.
Вязкость жидкости
Сопротивление при относительном сдвиге частиц жидкости определяет ее внутреннее трение, называемое вязкостью жид кости.
Представим себе две неограниченные плоскости: АВ— не подвижную (рис. 2) и CD — движущуюся со скоростью и, про странство между которыми заполнено жидкостью. В результате
Рис. 2
прилипания частиц жидкости к плоскостям слой жидкости, гра ничащий с плоскостью АВ, оказывается неподвижным, а слой, граничащий с плоскостью CD, перемещается со скоростью и. Закон изменения скорости движения слоев жидкости по сече нию будет зависеть от величины давления в этом сечении.
Выделив два бесконечно близких слоя жидкости на расстоя нии у от плоскости АВ, можно найти скорость относительного скольжения их в виде
|
du = ду йц, |
|
ди |
где |
градиент скорости. |
ду
В результате скольжения бесконечно близких слоев жидко сти на поверхности F возникает сила внутреннего трения, кото рая согласно второму закону Ньютона выражается равенством
T = llF — . |
(1) |
9