Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Средства гидропневмоавтоматики
.pdf40 |
|
Глава 2 |
№ |
Виды местного сопротивления |
|
п/п |
|
|
|
|
|
1. |
Отверстие в тонкой стенке |
1,7 - 1,9 |
2. |
Золотник с плунжером, имеющим кромки с углом заточки 90° |
1,6 |
3. |
Золотник с конечным плунжером малой конусности |
1,0-1,6 |
4. |
Гидрозамки, клапаны с коническим запорным элементом |
2 - 3 |
5. |
Самозапирающиеся соединительные муфты |
I -1,5 |
6. |
Вход жидкости из трубы в гидробак; |
1,0 |
|
для турбулентного режима течения |
|
7, |
для ламинарного режима течения |
2,0 |
Вход в гидроцилиндры, гидроаккумуляторы,фильтры и т.п. |
0,8 - 0,9 |
8.Выход из гидробака в трубу с острыми кромками:
при |
трубе, выполненной заподлицо со стенками гидробака |
0,05 |
при |
трубе,вкинутой в педробак |
1,0 |
9.Штуцеры, присоединяющие трубы к переходникам,и переходни
ки,соединяющие участки труб
10.Плавные колена трубопроводов под углом 90° при минимальном радиусе изгиба
11.Поворотные соединения с одним поворотом потока на 90°
12.Сверленные или щтампованные угольники
13.Тройники с одинаковым диаметром всех каналов
а) |
поток складывется |
Q ^ |
2Q |
Q |
Q |
б) |
поток расходится |
” \, о |
' |
|
,, |
Q,1-0,15
0,12-0,15
2,0
2,0
I 0,5-0,7 II 1,5-2,0
I 0,9-1,2 II 1,0-1,5
|
I Q |
f2 Q |
|
|
Таблица 2.4. |
|
|
Коэффициенты местного сопротивления. |
нию |
сравниваемому с предельным [4]: |
|
|
Рраб. |
(2.29) |
|
|
|
|
п . . |
|
где S - толщина стенки трубопровода; ст, - |
временное сопротивление разрыву ма |
|
териала трубопровода; п„ ~ коэффициент запаса прочности, выбираемый в зависимос ти от назначения трубопровода (обычно в пределах 3...6) [4].
Для тонкостенных труб {D/S>\(i) максимальное рабочее давление 2 5 о ,
Основные данные по трубопроводам приводятся в справочной литературе [4,10],
Элементы и устройства гидропневмоавтоматики |
41 |
2.6. Классификация, схемы и расчет клапанов.
Надежность гидро- и пневмосистем в значительной степени определяется работой аппаратуры защиты и предохранения. К ней относятся: предохранительные и перелив ные клапаны,аварийные и обратные клапаны, переключатели,реле давления и ограни чители мощности.
Предохранительные и переливные клапаны предназначены для предохранения гид росистемы от перегрузок,для регулирования и поддержания постоянным заданного дав ления,а также для периодической дистанционной разгрузки гидросистемы. Их класси фицируют на однокаскадные клапаны прямого действия и двухкаскадные клапаны не прямого действия.
Однокаскадный клапан прямого действия со стоит из корпуса 1 (рис. 2.10) с каналами отводаподвода (а и б соответственно) рабочей жидкости, запорного органа 2,нагруженного пружиной 3 и ре гулирующего органа 4. Рабочая жидкость под давле нием р по каналу а воздействует на запорный ор ган,заставляя его открываться и образовывать щель для слива в момент превышения усилия давления жидкости в системе над усилием напряжения пру жины.
Однокаскадные клапаны классифицируются; по форме и конструкции запорного органа (щариковые, конические, тарельчатые, золотниковые и т.д.); по способу воздействия жидкости на рабочий орган (с прямым и обратным потоком жидкости); устройством, предназначенным для его демпфиро вания, и другим конструктивным особенностям, влияющим на характеристику и работоспособность клапана.
Схемы простейщих однокаскадных клапанов представлены на рис.2.11.а,б,в.Эти клапаны отли чаются только формой рабочего (запорного) орга на. При больших расходах и давлениях такие клапа ны имеют большие габариты.Они работают с боль шими вибрациями и высоким уровнем шума. Виб
рации вызывают смешение запорного органа и его быстрый износ.Такие клапана при меняют обычно при условных проходах 2...8 мм.
Несколько лучше работают клапаны со сцентрированным рабочим органом (см.рис. 2.11.г,д,е).Седло и клапан в этих конструкциях изнашиваются меньше. Это обусловле но демпфирующим действием сил трения запорного органа и седла клапана (направ ляющих). Эти клапана имеют более высокую динамическую устойчивость.
Клапаны однократного действия (см. рис. 2.11. ж, з) с разрушающей диафрагмой и трубкой растяжения применяются как аварийные и в тех случаях, когда затруднено ис пользование другой конструкции.
Для повышения динамической устойчивости работы однокаскадных клапанов наря ду с направлением движения рабочего органа применяют гидравлическое или фрикци онное демпфирование движения клапана в сливной или напорной полости клапана (см. рис.2. П.и,к,л,м).Однако с повышением устойчивости работы этих типов клапанов сни жается их чувствительность.
Расчет однокаскадных клапанов прямого действия основывается на решении диф-
42 |
Глава 2 |
h = - |
Q |
|
, . а \ 2 А р |
||
|
||
|
jiT td s m — ' ^ |
фереициального уравнения сраба тывания клапана и подробно изло жен в работе [9]. Однако с учетом ряда допущений существуют н приближенные методы расчета, ко торые сводятся к определению плошади рабочего окна, необходи мого для прохода через него требу емого расхода Q жидкости при за данном перепаде давления Ар и жесткости пружин.
Расчет клапана для работы в статическом режиме производится по формуле (2.1),в которую входит переменная площадь (А) рабочего окна (зависящая от высоты подъе ма клапана) и переменный коэф фициент расхода /и. В справочнике [10] представлены значения р для различных типов клапанов. В рас четах можно пользоваться данны ми, приведенными на рис. 2.12.для клапанов с углом конусности при верщине 90" [10) для других типов клапанов можно принимать ориен тировочно /1=0.5..0,7.
При /1е>40 ряд исследователей рекомендуют принимать
fi=0,S=const.
С учетом выраже1И1я (2.1) рас ход через клапан равен [4]:
Q = k h ^ A ^ . |
(2,31) |
где k=tmd sin^/2 ^ |
~ прово |
димость клапана; d ' диаметр про
ходного отверстия в седле клапана;
h - высота подъема клапана (рис.
2.19).
(2.32)
Высота подъема обычно выбирается равной h=(0,2...0,3)d Во избежание заклинива ния, угол а должен быть а^бОО, для конусного клапана максимальная высота подъема
^miix"^/4sin(^/2)’ плоского клапана h„^=0,25d\ для щарикового клапана h„aj,=0,3d.
При работе клапана на него действуют силы гидростатического давления,трения ги-
1ементы и устройства гидропневмоавтоматики |
43 |
,родинамического воздействия, боковые усилия.
На первом этапе расчета можно учи тывать лишь силы гидростатического дав ления. Из условия статического равнове сия усилие,действующее на затвор клапа на (усилие предварительного сжатия пру жины):
F „ . = f ^ P A = C - K , |
« - ” > |
Пи,ОА
Пи,*т4
П9
0 |
10 |
20 |
40 |
Re |
где ^ |
—Рвх'Реых ^ |
перепад давления на |
Рис. 2.12. |
|
|
~ |
|
затворе |
клапана; |
проекцияЗависимость коэффициента расхода |
|
поверхности затвора клапана, омываемой |
клапана от Re |
||
жидкостью под давлением, на плоскость, |
|
||
перпендикулярную к его оси; dj — диаметр круга этой проекции (для клапанов с ост рой кромкой седла di=d). С - коэффицент жесткости пружины; h„ — предварительный натяг пружины.
Определив усилиеприняв предварительный натяг с учетом компоновки клапа
на по методике,изложенной в справочной литературе |3],определяются основные пара метры пружины.
Схемы двухкаскадных клапанов представлены на рис. 2.13. Принципиальной особен ностью этих типов клапанов является распределение перепада давления на две ступени таким образом, что каждая ступень работает при давлении равном половине рабочего давления. Это повышает динамическую устойчивость и долговечность клапанов и поз воляет применять их при давлениях до 63 МПа.
Схемы а,б распространенных двухкаскадных клапанов с постоянным дросселем (см. рис.2.13) применяются в клапанах типа БГ52-10,Г52-10 и др. Эти клапаны включают в себя клапан второго (2) и клапан первого (1) каскадов. Схемы а и б отличаются толь ко способом подвода жидкости. Клапаны, выполненные по таким схемам, не позволяют получить оптимальные режимы срабатывания при открытии и закрытии клапана при оптимальных условиях торможения. Из-за этого в клапанах подобного типа значительно труднее устранить перегрузку системы в момент срабатывания и понижение давления ("завал") ниже давления настройки,в этих конструкциях на клапан первого каскада дей-
3
I 1
t b
L„
6) |
в) |
Рис. 2.13. Схемы двухкаскадных клапанов непрямого действия.
44 Глава 2
ствует пониженное давление на величину перепада давления на дросселе, а уменьшить перепад давления нельзя,так как снижается чувствительность. Клапан, выполненный по схеме В(Г52-20 и др.).обладает лучшими динамическими характеристиками,более вы сокой чувствительностью.Это обусловлено наличием конической притертой фаски,что повышает герметичность клапана. Работает клапан следующим образом. При превыше нии давления в системе и в полостях А и Б величины, соответствующей настройке пру жины 3, шариковый клапан 2 открывается,образуя слив рабочей жидкости из полости А. При этом на дросселе 5 образуется перепад давления жидкости за счет которого на рушается равновесие клапана второго каскада 1 и он,преодолевая усилие вспомогатель ной пружины 4 поднимается вверх,соединяет напорную Б и сливную В полости.откры вая основной слив жидкости в бак. Клапаны этого типа допускают малую разницу дав лений при открытии и закрытии и сравнительно небольшое пиковое давление в систе ме при срабатывании.
На рис.2.13,г,д показаны схемы клапанов, имеющих преимущество по сравнению с клапанами схемы а. У них отсутствует золотниковое перекрытие,запирание происходит по конической фаске достаточных размеров,что создает меньший путь открытия. Одна ко они менее технологичны и им присущи те же недостатки схем с постоянным сече нием дросселя.
Существует множество типов двухкаскадных клапанов; с постояннным сечением дросселя и с обратной связью по положению,с индикаторным стержнем,с автоматиче ским дросселем и т.д. Их преимущества и недостатки,особенности конструкций,расчет подробно изложены в литературе 11,4,9,11|.
Пневмо- и гидроёмкости |
45 |
Глава 3.
Пневмо- и гидроёмкости
3.1. Пневмоёмкости и пневмоконденсаторы
Пневмоёмкость представляет собой баллон или камеру, в которой может накапли ваться сжатый воздух (газ). Воздух пол давлением может накапливаться в трубопроводах, в полостях различных аппаратов и приборов, в каналах струйных элементов. Значит, эти устройства включают в себя ёмкости.
Емкости обозначаются на схемах в виде окружности (рис.3.1,а,в) или прямоуголь ника (рис. 3.1,б, г), в которых часто проставляется объём V камеры. Камеры бывают ту пиковые (рис.3.1 а,б) или проточные (рис.3.1,в.г).Сопротивление каналов (дросселей), подключенных к камере, обозначено Г| и TJ- Тупиковые камеры во многих источниках называются также глухими камерами.
Пневматический аккумулятор (баллон для сжатого воздуха, ресивер) на схемах по казывается в виде рис. 3.1,д.
О |
|
|
|
6) |
■CZJ |
о в) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д) |
|
|
|
|
|
Рис. 3.1. |
|
|
|
Тупиковые (а,б,д) и проточные (в, г) пневмоёмкости |
|||
Скорость накопления газа в емкости представляется формулой; |
|
||||
dm |
_ р |
d V |
V |
dp |
(3.1) |
|
R T d t |
+ ■ |
d t ’ |
||
|
n R T |
|
|||
где m - масса газа в ёмкости,кг; р - |
давление в ёмкости,Па; R - газовая постоян |
||||
ная, для воздуха Л=287,14 ^^'/(с^К)’ |
|
абсолютная температура газа в ёмкости, К; п - |
|||
46 |
|
|
|
Глава 3 |
показатель политроны; V - объем емкости (камеры),м\ |
|
|||
Если постоянный объем камеры (V=const),TO уравнение (3.1) |
приобретает вид |
|||
'dm |
|
V |
dp _ |
(3.2) |
|
Jc |
n R T |
dt |
|
Выражение |
V/„R T обозначается С и представляет собой пневматическую ёмкость, |
|||
аналогичную гидравлической и электрической ёмкости,т.е. |
|
|||
^ |
V |
У9 . |
|
|
|
nR Т |
пр ’ |
|
|
где р — плотность газа в камере, кг/,^з . |
|
|||
Величина показателя политропы п зависит от природы газа и находится в пределах я=1-1,4.Если изменение состояния газа в камере совершается быстро и стенки камеры плохо проводят и рассеивают тепло (адиабатический процесс),то л=Л=1,4; если же из менение состояния газа осуществляется медленно и тепло достаточно хорошо отводит ся через стенки камеры (изотермический процесс),то п =1.
Изменение массы газа в камере объемом К при постоянной температуре (я=1) мо жет быть записано в приращениях:
V
Д/77 =
R T
где Ар — изменение давления в камере за время наполнения (опорожнения) каме ры. Массовый расход воздуха через дроссель, как известно, записывается в виде:
( dm \
(3.3)
кр.
[ d t
где fi - коэффициент расхода пневмосопротивления (дросселя),учитывающий поте ри на трение и на изменение формы и направления струи воздуха, принимается
0,5<fi<0,8\ Л — площадь проходного сечения дросселя, м’; |
— критическая скорость |
||||||||
воздуха, равная ->AcRT, м/с; |
и р,^^ |
- |
абсолютные давления воздуха перед дросселем |
||||||
(р„) и на выходе из дросселя (Pe^i) |
Па; ip(P’'^VpeJ |
~ |
функция расхода дросселя, пред |
||||||
ставляющая собой закон изменения массового расхода воздуха через дроссель. |
|||||||||
Для проточной камеры (рис. 3.1, г), используя выражения (3.2) |
и (3.3), можно соста |
||||||||
вить уравнение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4ы)1^кр. Ро |
Ф А |
У |
dPi |
- ( ц ^ ) |
Рх |
Ф А |
= |
0. |
|
R T |
Ро) |
n R T |
dt |
|
R T |
Р\ |
|
|
|
При установившемся режиме течения воздуха, когда давления рд, р, и р2 не изменя ются и когда температура воздуха в камере и в канатах дросселей одинакова, последнее выражение преобразуется в следующее:
|
1ЛФ ГА |
(3.4) |
|
Ро) |
КР^ |
где |
и (цА)2 характеристики первого и второго дросселей. |
|
Из выражения (3.4) |
легко находится давление р, в камере при заданных значениях |
|
Пневмо- и гидроёмкости |
47 |
Ро, PiK Р2 » известных характеристиках дросселей. Врасчетах могут использоваться раз личные функции расхода фСо’^где о=^""/р„.
Для первого дросселя а,=^^Ур0ЛЛя второго В практических расчетах используются следующие функции расхода:
при высоких давлениях р>0,2 МПа (для нелинейных дросселей):
2 |
( |
2/ |
- |
формула Сен-Венана и Ваниеля для докри- |
к - \ |
|
|
тического режима течения (при а>0,528)\ |
|
V |
/ |
|
|
|
Ф2(о)=У^<^4-<5) |
— для докритического истечения при а>0,5; |
|||
Фз(о)= 0,654 |
|
1 - а |
- |
гиперболическая функция расхода Метлю- |
|
1ДЗ-а |
ка-Автушко, используется для всего переход |
||
|
|
|
ного процесса (при всех значениях |
|
при низких давлениях р<0,15 МПа: |
|
|||
Ф 4 (а )= 1 - о |
|
|
- |
для линейных дросселей (линейная функ |
|
|
ция расхода). |
||
Например, подставляя в (3.4) |
гиперболическую функцию расхода qt/a) получим |
|||
Ш р . - р , |
U 3 p , - p j |
|||
или в безразмерном виде: |
|
|
||
|
|
g | - q 2 |
. |
(3.5) |
1ДЗ-а, |
|
'U O i-O j |
|
|
Для облегчения расчетов установившегося давления в проточной камере полезно построить на основании уравнения (3.5) вспомогательную диафамму, показывающую количественные соотношения Ог и (fiA)]/(/tA)2-
Камеры, в которых сжатый воздух накапливается главным образом за счет изменения объема происходящего пропорционально разности подводимых давлений, принято на зывать пневмоконденсаторами. В пневмоконденсаторе имеется две полости, разделен ные подвижным герметическим элементом, например, поршнем (рис.3.2,а),сильфоном (рис. 3.2,б),столбом жидкости (рис. 3.2,в),или мембраной.
P i
P i
Р2
а)
Р2
б)
P i |
Р2 |
'2 В)
Рнс. 3.2.
Пневмоконденсаторы поршневого (а),сильфонного (б) и гидравлического (в) типа.
48 |
Глава 3 |
Из уравнения равновесия столба жидкости (рис.3.2,в) находим;
P x - P i = ? ^ h g , |
|
|
(3.6) |
||
где |
— плотность жидкости,кг/м’; |
g - ускорение силы тяжести, м/с^ |
|||
Масса газа, поступившая в левую трубку,равна |
|||||
|
|
- p ^ V ^ = p , A |
- Р о ^ К |
(3.7) |
|
где р, — плотность газа при давлении Pi; |
pQ плотность газа при начальном давле |
||||
нии ро (до зарядки конденсатора); А - |
площадь проходного сечения левой и правой |
||||
трубки,М-; |
Vи |
Уд - текущий и начальный объемы газовой части левой трубки; hg - на |
|||
чальная высота газовой части левой трубки при начальном даааении рд. |
|||||
Подставляя выражение А из уравнения (3.6) в формулу (3.7),находим: |
|||||
т, = А |
^ K K <P , - P J |
|
|
|
|
Если учесть в последнем выражении,что |
P = ^ //ij,to получим; |
||||
|
А |
|
|
|
|
R T |
^ёРж |
|
|
|
|
Полученное уравнение в частном случае, когда />2 =/»о, приобретает вид:
_ ^ ( Р х - Р о )
- + А
R T
Масса газа, вытесненная из правой трубки,будет:
а при Р2=Ро
p ^ A h
/77, ------.
'2 R T
Пневмоконденсаторы поршневого типа (рис.3.2,а),как правило,выполняются с оди наковыми пружинами 1 и 2; причём при исходном положении поршня, когда Pt~P2 преднатяг пружин равен нулю. В таком случае уравнение равновесия поршня записы вается в виде;
(р^- p^)A = ch,
где А - площадь поршня,м^ С - жесткость пружины,н/м; А - перемешение порш ня,м.
Масса газа, накопленная в конденсаторе,будет;
т = p , t + А Н У р Х =
Пневмо- и гидроёмкости |
|
49 |
|
Подставляя значение h из (3.8) в последнее выражение,получаем: |
|
||
R T |
C R T |
|
(3.9) |
где V„ - |
начальный объем наполняемой полости конденсатора, м’; рд - |
начальное |
|
давление в полостях конденсатора, Па. |
|
||
В частном случае, когда |
Уравнение (3.9) преобразуется в вид: |
|
|
у
т
c R T
Уравнение (3.9) действительно также для конденсатора с мембраной и аля конден сатора с сильфоиом (рис. 3.2,б),в которых за эффективную плошадь А принимается ра бочая площадь мембраны или торцовой поверхности сильфона.
Пневмоконденсаторы применяются в различных приборах пневмоавтоматики и из мерительной техники. Вчастном случае исполнительный орган с подвижным поршнем или мембраной со штоком можно рассматривать как односторонний пневмоконденса тор,у которого роль упругого элемента выполняет внешняя нафузка.
3.2. Гидравлические ёмкости
к гидравлическим ёмкостям относятся различного вида резервуары: гидроаккумуля торы,гидроцилиидры,гидробаки,предназначенные для хранения рабочей жидкости,мас ла,топлива. На схемах гидробаки обозначаются согласно рис. 3.3. Конструкция гидроба ка показана на рис. 1.3.
В гидробаках открытого типа полость над свободнои поверхностью жидкости сооб
щается с окружающим воздухом через |
|
|
|
фильтр — сапун. При изменениях уровня |
|
|
|
жидкости в баке воздух через сапун по |
а) |
------б) в) |
|
ступает в бак. или выходит из него. При |
|
Рис. 3.3. |
|
нагреве и последующем охлаждении воз |
|
||
|
Условные графические обозначения |
||
духа, находящегося в баке, возможно осе |
|
||
гидробаков: а - под атмосферным давлением; |
|||
дание на стейках конденсата воды. Эта |
|||
вода, попадая в рабочую жидкость, ухуд |
|
б - с внутренним давлением выше |
|
атмосферного; в - с внутренним давлением |
|||
шает её свойства и приводит к снижению |
|||
|
ниже атмосферного. |
||
долговечности рабочей жидкости. Кроме |
|
||
|
|
||
того, возможно попадание в бак мелких частиц пыли. Присутствие воздуха может при водить к окислению минерального масла.
Гидробаки закрытого типа отличаются от гидробаков открытого типа тем,что в них внутренняя полость изолирована от окружающей среды. Впространстве над поверхнос тью жидкости имеется постоянное избыточное давление подводимого инертного газа или воздуха. Некоторые гидробаки заправляются инертным газом под давлением и плотно закрываются. При необходимости воздушное пространство в баке изолируется от жидкости подвижным элементом,например,эластичной мембраной или уплотненной подвижной стенкой (поршнем). Предусматривается установка специа1ЬН0Г0 штуцера для удаления воздуха из полости,в которую заливается рабочая жидкость. Благодаря от сутствию контакта рабочей жидкости с воздухом или другим газом увеличивается срок службы как самой жидкости,так и гидросистемы.
При проектировании гидробака руководствуются требованиями и рекомендациями ГОСТ 16770-71 "Баки для гидравлических и смазочных систем. Общие технические ус ловия".Для обеспечения отстоя рабочей жидкости внутри бака выполняются перфори