Лаб 29

ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОЧИХ ПАРАМЕТРІВ ПНЕВМОЦИЛІНДРА.

Методичні вказівки до лабораторної роботи з дисципліни “Гідропневмоавтоматика”, для студентів базових напрямів 6.050.501 “Інженерна механіка“, 6.050.503 “Машинобудування“, 6.050.501 “Прикладна механіка“ / Укл. Гаврильченко О.В., Боровець В.М. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2013. – 15 с.

Відповідальний за випуск: Кузьо І.В., д-р техн. наук, проф.

Рецензенти: Ланець О.С., докт. техн. наук, доц.

Литвиняк Я.М., канд. техн. наук, доц.

2

1. МЕТА ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

Метою виконання лабораторної роботи є здобуття студентами практичних навичок з роботи пневматичного циліндра.

Врезультаті виконання лабораторної роботи студенти повинні:

1.Ознайомитись з якісною характеристикою динаміки процесу спрацювання силового пневмоциліндра.

2.Вивчити наближену теорію спрацювання пневмоциліндра в залежності від тиску та навантаження.

3.Вивчити послідовність проведення розрахунку швидкості переміщення поршня циліндра.

4.Експериментально дослідити процес спрацьовування силового циліндра в залежності від тиску та навантаження.

2.ПРИНЦИП РОБОТИ ПНЕВМОЦИЛІНДРА Пневмоциліндри (рис.1 і 2) є поршневими двигунами поступального

руху і використовуються для здійснення транспортування, позиціонування, затиску, перемикання, фіксації, штампування тощо.

Ці приводи широко застосовується в металообробному та складальному обладнанні, зокрема в автоматах і напівавтоматах, автоматичних лініях, завантажувальних, транспортних та інших допоміжних пристроях, промислових роботах.

Рис.1. Типи пневмоциліндрів різного технологічного призначення

Будова пневмоциліндра наведена на рис.2.

Керування пневмоциліндром (забезпечення черговості прямих та зворотних ходів) здійснюється керуючим розподільником.

3. Динаміка роботи пневмоциліндра

Вихідними даними для розрахунку пневмоциліндра є зусилля, яке повинен передавати шток пневмоциліндра виконавчому органу.

3

Рис.2. Будова пневмоциліндра: 1 – шток; 2 – ущільнення; 3 – напрямна; 4 - фланець ; 5, 6 – ущільнення штока; 7 – циліндр; 8,9 – ущільнення поршня.

Суттєвий вплив на роботу пневмоциліндра має навантаження, яке може

діяти:

- протягом всього ходу циліндра (переміщення виконавчих органів або деталей);

-в кінці ходу поршня (затискання деталей, склеювання, тощо).

Уданій роботі досліджується робота циліндра при дії навантаження протягом всього ходу поршня.

На рис.3 наведена схема пневмопривода, призначеного для приведення у рух виконавчого органу 3, що складається з пневмоциліндра 2 та керуючого розподілювача 1, які з’єднані пневмолініями 4. Стиснуте повітря підводиться від мережі по пневмолінії 5. Вихід повітря в атмосферу здійснюється через вихідний канал 6.

Рис. 3. Схема пневмоприводу: 1- керуючий розподільник; 2 – пневмоциліндр; 3 – виконавчий орган; 4 – пневмолінії; 5 – пневмолінія зєднана з пневмомережею; 6 – вихід в атмосферу

4

Робочим циклом пневматичного приводу є період його роботи, після виконання якого всі елементи повертаються у вихідне положення.

Прямий хід циліндра (робочий хід) –це переміщення поршня циліндра у напрямку дії на поршень найбільшого зусилля, яке виникає під дією стиснутого повітря, враховуючи, що активна площа поршня (S1 ) за

переміщення зліва направо більша ніж S2 на величину площі торця

приєднаного до поршня штока.

Зворотний хід – переміщення поршня циліндра у зворотному напрямку (холостий хід). Під час зворотного ходу зусилля менше (менша активна площа), а швидкість більша за рахунок зменшення об’єму правої порожнини на величину об’єму штока.

Робоча порожнина (порожнина наповнення) - об’єм, у який подається стиснуте повітря при переміщені поршня циліндра зліва направо. Порожнина вихлопу – порожнина протилежна порожнині наповнення і за прямого ходу з’єднана з атмосферою для виходу повітря. Необхідно враховувати, що у ній виникає протитиск під час переміщення поршня, який зменшує корисне зусилля на штоку.

Якісна характеристика зміни тиску в порожнинах наповнення і вихлопу наведена на рис. 4.

Тривалість робочого циклу Тц складається з суми інтервалів прямого та зворотного ходів.

Рис. 4. Діаграма зміни тиску в двосторонньому пневмоциліндрі (пунктирною лінією вказано зміни тиску у вихлопній порожнині (правій).

Вихідна позиція.

За вихідну позицію приймемо момент t = 0 коли поршень знаходиться у крайньому лівому положенні:

5

-ліва порожнина займає мінімальний об’єм, який з’єднаний через розподільник з атмосферою;

-права порожнина знаходиться під тиском (рис.3), під дією якого на останньому етапі попереднього циклу був здійснений зворотний рух поршня.

Початок робочого циклу здійснюється в результаті перемикання розподілювача і поширення по трубопроводу від розподілювача до порожнини наповнення пневмоциліндра тиску, а з порожнини вихлопу повітря по трубопроводу 4 через вихід 6 потрапляє в атмосферу. Тривалість переміщення стисненого повітря незначна, тому у практичних розрахунках нею нехтують.

Перший етап.

Надходження повітря під тиском до порожнини наповнення і зростання його до значення, за якого почне рухатись поршень.

Порожнина вихлопу з’єднується з атмосферою, тиск у правій порожнині спадає, але перевищує атмосферний і тому буде чинити опір переміщенню поршня циліндра діючи на площину S2,

Другий етап.

Рух поршня циліндра відбувається наступним чином:

-переміщення почнеться в момент, коли у порожнині наповнення тиск р зросте до величини достатньої для його руху, тобто на поршень циліндра буде діяти зусилля pS1 ;

-для початку руху необхідно щоб зусилля pS1 урівноважило всі сили, які діють на поршень з правої сторони

pS1 F кор FT Fпр Fін ;

де Fкор - корисне зусилля, яке передається виконавчому органу і для якого

призначений пневмопривод;

FT - сила тертя, яка виникає при русі всіх рухомих елементів (поршня, штока,

виконавчого органу);

Fпр - сила протитиску pS2 (з огляду незначної величини у практичних

розрахунках не враховується);

Fін - сила інерції, виникає лише на етапі розгону, коли прискорення а для всіх

рухомих мас m не рівна нулю ( a 0 ). При швидкостях, які використовуються у пневмоприводі не враховуються;

Fін m a

На даному етапі руху поршня слід відзначити наступне:

-при робочому ході всі маси рухаються практично з сталою швидкістю.

-при зрушенні з місця поршня різко зростає об’єм лівої порожнини, який на короткий проміжок часу частково знижує тиск на незначну величину;

-при русі поршня з сталою швидкістю у лівій порожнині циліндра тиск завжди менший від магістрального, з огляду на постійне збільшення об’єму порожнини наповнення;

6

-швидкість заповнення лівої порожнини циліндра залежить від швидкості переміщення поршня;

-зниження потоку повітря може призвести до коливань швидкості, тобто до нестабільного переміщення рухомих мас;

-регулюванням виходу повітря з правої порожнини (дроселюванням)

зручно керувати швидкістю поршня; - рух поршня при прямому та зворотному ході може суттєво

відрізнятись за рахунок заповнення правої штокової порожнини штоком.

Третій етап.

Поршень завершує рух і впирається у правий фланець:

-тиск стиснутого повітря у лівій порожнині зростає до вхідного;

-права порожнина зменшується до мінімального об’єму і тиск у ній знижується до атмосферного;

-при значних швидкостях руху мас в кінці ходу поршня може виникнути удар, для запобіганню якого в кінці ходу передбачають гальмування.

4. РОЗРАХУНОК ЧАСУ СПРАЦЮВАННЯ ПНЕВМОЦИЛІНДРА

Час робочого ходу (час спрацювання) циліндра - це час переміщення поршня тільки в одному напрямку. У двосторонньому приводі інтервали часу спрацювання циліндра можуть суттєво відрізнятись.

Розрахунок часу спрацювання пневмоциліндра складний і потребує значних затрат часу, тому на практиці використовують спрощений розрахунок, який здійснюють у наступній послідовності:

1. Визначають безрозмірне навантаження χ, що відображає відношення результуючого зусилля, яке діє на поршень до максимальної можливої сили і відображає ефективність передачі зусилля під дією тиску стиснутого повітря до виконавчого органу .

де F - результуюча всіх сил, які діють на поршень; рм – тиск у пневмомережі;

S1 – площа поршня;

Результуюча сила, яка діє на поршень рівна

F = Fкор + Fт + Fв,,

де Fкор – корисне зусилля, що циліндр передає виконавчому органу, і яке визначає навантаження на нього;

Fт – сила тертя всіх рухомих елементів;

Fв – сила ваги всіх рухомих елементів – враховується лише при вертикальному розташуванні циліндра (у даній роботі не враховується).

Рівновагу сил відносно поршня можна записати

7

pМ S1 Fкор Fт

Розрахунок пневмоциліндрів, а саме вибір діаметра поршня циліндра та тиску стиснутого повітря здійснюється за корисним зусиллям Fкор .

У даній лабораторній роботі дослідження пневмоциліндра здійснюється під час переміщення вантажу різної ваги протягом всього ходу поршня, а корисне зусилля визначається зусиллям необхідним для переміщення всіх рухомих мас. Наведені вирази враховують зусилля тертя.

2. Визначають безрозмірний конструктивний параметр, який враховує співвідношення конструктивних параметрів і навантаження на циліндр за формулою (2)

де μ1 – коефіцієнт витрат у вхідній пневмолінії, який враховує втрати масових витрат повітря між пневмомережею та пневмоциліндром;

d1 – діаметр вхідної пневмолінії; G – вага всіх рухомих елементів; L - довжина ходу циліндра.

3. Визначають коефіцієнт, який характеризує пропускну здатність пневмолінії підведення та вихлопу виконується за (3)

μ1, μ2 - коефіцієнти витрат пневмоліній підведення та вихлопу повітря; f1, f2 – площі прохідних перерізів пневмоліній підведення та вихлопу.

5. Визначають безрозмірний час τ переміщення поршня за виразом

t tm

де t, tm – час переміщення поршня на всю довжину ходу та час заповнення стиснутим повітрям всього об’єму циліндра.

Для практичних розрахунків τ розраховують за виразом (4)

5. Визначають дійсне значення часу спрацювання циліндра за виразом

(5)

8

6. Визначають швидкість переміщення поршня циліндра за виразом (6)

6. СХЕМА І РОБОТА ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Лабораторна установка дозволяє експериментально отримати осцилограму роботи силового циліндра при прямому ході та експериментально визначити швидкість переміщення поршня. Установка (рис. 4) складається з силового циліндра 4, шарнірно закріпленого до основи. Шток циліндра з’єднаний з кареткою 5 на якій встановлюються три вантажі. На каретці закріплена планка з олівцем 9, що контактує з барабаном 7, який обертається електродвигуном 8. Вмикання електричної мережі та обертання барабану здійснюється двома тумблерами на табло.

Рис.5. Експериментальна установка для дослідження пневмоциліндра: 1- вхідний розподільник; 2- редукційний клапан; 3- керуючий розподільник; 4- пневмоциліндр; 5 – каретка; 6 – вантажі; 7 – барабан; 8 – електродвигун; 9 – олівець; 10 – табло.

9

Підведення стиснутого повітря до установки здійснюється через вхідний розподільник 1, регулятор тиску 2 та трипозиційний розподільник.

У початковий момент пневмоциліндр має знаходитись у крайньому лівому проложені. На барабані має бути встановлена стрічка міліметрового паперу розміром 125x400 мм і зафіксована з допомогою двох затискачів, з урахуванням напрямку обертання барабану.

З допомогою редукційного клапана 2 встановлюється необхідне значення тиску повітря підведеного до пневмоциліндра. Після вмикання тумблера забезпечується обертання барабана. Керуючий розподільник перемикається в право - поршень циліндра здійснює прямий хід. Цей рух записується на стрічці обертового барабана у вигляді осцилограми в координатах час-переміщення, причому вісь абсцис (час) розташовується за колом барабана вздовж стрічки, а вісь ординат (переміщення) - по твірній барабана поперек стрічки. Після завершенням переміщення штока олівець буде описувати пряму лінію на іншому кінці барабана.

Масштаб переміщень на отриманій осцилограмі буде натуральним, тобто

де D = 120 мм - діаметр барабана, n- частота обертання барабана.

При частоті обертового двигуна nД = 1200 об/хв і передавальному відношенні редуктора i 137

де ℓ- відстань на вісі абсцис між початком та кінцем руху поршня в мм.

6.ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

6.1.Перед початком роботи маховичок редукційного клапана 2 (рис. 5) викрутити до стану вільного обертання, а ручку керуючого розподілювача 3,

10