Гидравлические и пневматические системы / Лекции / Доп-материал / расчет и выбор НУ

РАСЧЁТ И ВЫБОР НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ГИДРОПРИВОДА

С ЦИКЛОВЫМ ПРОГРАМНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Расчёт и выбор основных параметров насосной установки объёмного гидропривода является составной частью расчётно-пояснительной записки при выполнении студентами курсовых и дипломных проектов по специальности 1211 , а также специальности 1201 при проектировании станочного оборудования.

Основной целью работы является приобретение студентами навыков выполнения проектировочных расчётов насосных установок объёмных гидроприводов, выбора их типа и основных технических параметров.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Характерной особенностью объёмных гидроприводов циклического действия является наличие периодически изменяющихся режимов работы [ 2 ].В качестве примера на рис.1 показана схема объёмного гидропривода с цикловым программным управлением типа “быстрый подвод - рабочий ход – быстрый отвод – остановка”, широко применяемая в металлорежущих станках [ 3 ] .

Гидропривод содержит насосную установку (на рис. не показана ) , гидрораспределитель 1 с электроуправлением , комбинированное устройство 2 , состоящее из регулятора потока 3 , путевого гидрораспределителя 4 и обратного клапана 5 , гидроцилиндр 6 , поршень 7 с кулачком 8 на штоке и микропереключатель 9 .

Гидропривод работает следующим образом. При подаче электрического сигнала в распределитель 1 рабочая жидкость от насосной установки через распределитель 1 поступает в поршневую полость гидроцилиндра 6. В результате чего происходит быстрый подвод инструмента к обрабатываемой детали. При воздействии кулачка 8 на путевой распределитель 4 с механическим управлением гидропривод переключается на рабочий ход . При этом жидкость из штоковой полости гидроцилиндра поступает в регулятор потока 3 и далее через распределитель 1 на слив в гидробак . Выходное звено гидропривода благодаря регулятору потока движется с заданной скоростью в режиме рабочего хода . При подходе выходного звена к микропереключателю 9 происходит срабатывание последнего и выдача сигнала на распределитель 1 .Этот распределитель переключается в позицию , соответствующую подаче жидкости через устройство 2 в штоковую полость гидроцилиндра 6 и её сливу из поршневой полости в гидробак . Отвод инструмента происходит быстро , так как поток жидкости поступает в гидроцилиндр через обратный клапан 5 , минуя регулятор потока 3 . На рис.2 изображена упрощённая циклограмма рассматриваемого гидропривода .

На циклограмме выделяют следующие характерные периоды :

1. - быстрое (холостое) движение выходного звена вперёд продолжительностью ;

2. - медленное (рабочее) движение выходного звена вперёд продолжительностью ;

3. - быстрое (холостое) движение выходного звена назад продолжительностью ;

4. - выстой выходного звена в исходное положение продолжительностью .

Таким образом , гидропривод работает на переменных режимах с различными расходом и давлением потока рабочей жидкости . Для обеспечения каждого из отмеченных периодов цикла требуемыми расходами и давлениями жидкости применяют насосные установки следующих типов : однонасосную с переливным клапаном , двухнасосную с двумя клапанами , насосно-аккумуляторную и с авторегулируемым насосом [ 2,3 ] .

Однонасосная установка с переливным клапаном (рис. 3) содержит нерегулируемый насос 1 с приводящим электродвигателем 2 , переливной клапан 3 , установленный в напорной гидролинии 4 , теплообменный аппарат 5 и фильтр 6 , установленные в сливной гидролинии 7 , и гидробак 8.

y

O x

Рис.2.Циклограмма гидропривода

Основным достоинством однонасосной установки является простота её конструкции и дешивизна. Однако она имеет существенный недостаток , заключающийся в значительных потерях мощности потока жидкости во втором периоде цикла работы гидропривода из-за перелива большого количества жидкости через дросселирующие отверстия клапана 3 при полном рабочем давлении :

(1)

где -атмосферное давление ; - номинальная подача насоса ; - требуемая подача насоса во втором периоде цикла работы привода.

Кроме того , потери мощности потока жидкости приводят к нагреву рабочей жидкости . В результате чего возникает необходимость установки теплообменного аппарата или увеличения габаритных размеров гидробака с целью охлаждения жидкости до допустимых температур . Возникает задача теплового расчёта гидропривода.

Для снижения потерь мощности потока жидкости применяют двухнасосные установки с двумя переливными клапанами (рис.4.)

Насосная установка содержит нерегулируемый насос 1 высокого давления и малой подачи с переливным клапаном 2 высокого давления ,нерегулируемый насос 3 низкого давления и большой подачи с переливным клапаном 4 низкого давления , приводящий электродвигатель 5 , обратный клапан 6 , установленный между указанными насосами , напорную линию 7 , фильтр 8, установленный в сливной линии 9 , и гидробак 10.

Насосы 1 и 3 работают одновременно в первом и третьем периодах цикла работы гидропривода при низком давлении и с суммарной подачей , не меньшей значения в напорной гидролинии 7 . Во втором периоде цикла работы привода давление жидкости в напорной линии возрастает до величины >. При этом обратный клапан 6 закрывается , насос 1 высокого давления подаёт жидкость в напорную линию с подачей , не меньшей значения , а насос 3 низкого давления подаёт жидкость через клапан 4 низкого давления на слив в гидробак .

Преимуществом данной насосной установки являются значительно меньшие потери мощности потока жидкости , чем в однонасосной во втором периоде цикла работы привода из-за перелива жидкости через клапан 4 при давлении , значительно меньшем давления

(2)

где - номинальная подача насоса низкого давления .

Существенным недостатком двухнасосной установки является удвоенное число насосов и клапанов .

Полностью устранить потери мощности потока жидкости вследствие дросселирования её через переливной клапан позволяет насосно-аккумуляторная установка (рис.5).

Насосная установка содержит нерегулируемый насос 1 с приводящим электродвигателем 2,предохранительный клапан 3 , пневмогидравлический аккумулятор 4 , электрореле давления 5, обратный клапан 6 и регулируемый дроссель 7 ,установленные в напорной линии 8 , разгрузочный гидрораспределитель 9 и фильтр 10 , установленные в сливной линии 11, и гидробак 12.

В данной установке , в отличие от предыдущих , во втором периоде цикла работы гидропривода избыток жидкости направляется не на слив через клапан , а в аккумулятор для его зарядки . После зарядки аккумулятора срабатывает реле давления 5 с выдачей сигнала на разгрузочный распределитель 9 с электроуправлением . В результате чего жидкость через распределитель 9 сливается в гидробак , разгружая тем самым насос 1 . В первом и тратьем периодах цикла работы привода насос и аккумулятор одновременно подают жидкость в напорную линию 8 через обратный клапан 6 и регулируемый дроссель 7 , ограничивающий предельную скорость движения при быстрых ходах выходного звена гидродвигателя . Во втором и четвёртом периодах цикла происходит зарядка аккумулятора до требуемых давлений жидкости . Основным недостатком насосно-аккумуляторной установки является её увеличенные габариты и масса из-за наличия аккумулятора.

Уменьшить габаритные размеры и массу насосной установки , исключить непроизводительные потери энергии из-за перелива жидкости через клапан позволяет установка с авторегулируемым насосом (рис.6).

Насосная установка содержит регулируемый насос 1 с приводящим электродвигателем 2 , предохранительный клапан 3 , обратный клапан 4 , регулируемый дроссель 5 , напорную линию 6 , фильтр 7 , установленный в сливной линии 8 , и гидробак 9.

При работе гидропривода во втором периоде цикла автоматически уменьшается подача насоса до требуемого благодаря его регулированию по давлению в напорной линии. Недостатком такой насосной установки является её дороговизна из-за наличия регулируемого насоса , стоимость которого значительно выше , чем нерегулируемого.

МЕТОДИКИ РАСЧЁТА И ВЫБОРА НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

ГИДРОПРИВОДА С ЦИКЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

Исходные данные:

1. циклограмма работы гидропривода;

2. продолжительность периода быстрого (холостого) движения выходного звена гидродвигателя вперёд;

3. продолжительность периода медленного (рабочего) движения выходного звена гидродвигателя вперёд;

4. продолжительность периода быстрого (холостого) движения выходного звена гидродвигателя назад;

5. продолжительность периода выстоя выходного звена гидродвигателя в исходное положение;

6. сила (момент сил) внешней нагрузки при быстром движении выходного звена гидродвигателя;

7. сила (момент сил) внешней нагрузки при медленном движении выходного звена гидродвигателя;

8. предельная скорость выходного звена гидродвигателя при быстром движении;

9. скорость выходного звена гидродвигателя при медленном движении;

10. результаты энергетического и гидравлического расчёта гидропривода; типоразмер гидродвигателя и его основные параметры и т. д.

ОДНОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ПЕРЕЛИВНЫМ КЛАПАНОМ

1. Подача насосной установки в первом периоде цикла работы гидропривода

, (3) где -удельный рабочий объём гидродвигателя; -объёмный КПД двигателя ; - объёмный КПД гидроаппаратов.

Удельный рабочий объём двигателя для поршневых гидродвигателей с односторонним и двусторонним штоками равен эффективной площади поршня , т.е.

= ,

для многопоршневых роторных гидромашин вращательного движения

,

где - рабочий объём машины за один оборот вала.

Объёмный КПД гидродвигателя принимается равным [1-3] для гидроцилиндров

=0,98…1,0 ,

для гидромоторов

=0,7…0,98 ,

Объёмный КПД гидроаппаратов изменяется в диапазоне

=0,92…0,96 .

2. Подача насосной установки во втором периоде цикла работы гидропривода

. (4)

3. Подача насосной установки в третьем периоде цикла работы гидропривода

, (5)

где - коэффициент соотношения эффективных площадей рабочих камер объёмного гидродвигателя (коэффициент ассиметрии рабочих камер двигателя).

Для поршневых гидродвигателей с двусторонним штоком и многопоршневых роторных гидромашин вращательного движения

,

для одноштокового поршневого гидродвигателя с диаметрами штока и поршня

.

4. Давление рабочей жидкости на выходе насоса в первом периоде цикла работы гидропривода при давлении во всасывающей гидролинии

, (6)

где - атмосферное давление , принимаемое равным стандартному Па; - гидравлический КПД гидроаппаратов и соединительных гидролиний.

Механический КПД принимается для гидромоторов равным

,

для гидроцилиндров

.

Гидравлический КПД гидроаппаратов и гидролиний равен

.

Конкретные значения частных КПД объёмных гидродвигателей определяют из технических характеристик, предоставленных в каталогах на гидрооборудование или справочниках [1,3] .

5. Давление рабочей жидкости на выходе насоса во втором периоде цикла работы гидропривода

(7)

6. Давление рабочей жидкости на выходе насоса в третьем периоде цикла работы гидропривода

(8)

7. Выбираем типоразмер насоса по каталогу на гидрооборудование, выпускаемому данной отраслью машиностроения в соответствии с требуемыми подачами и давлениями

≥,≥, (9)

где и - номинальные подача и давление насоса .

Рекомендуется при давлении ≤6,3 МПа применять шестерённые и пластинчатые насосы , при > 10 МПа – аксиально – или радиально-поршневые насосы .

8. Удельный рабочий объём определяем по данным технической характеристики выбранного насоса

, (10)

или

, (11)

где - рабочий объём насоса , определяемый за один оборот вала , то есть за поворот на угол ; - скорость приводного вала насоса ; - объёмный КПД насоса :

= 0,75…0,97 .

9. Крутящий момент на валу насоса

, (12)

где = 0,80…0,94 .

10. Приводящая мощность насоса

(13)

11. Приводящий двигатель выбираем по величинам и .

Для гидроприводов стационарных машин и технологического оборудования используют асинхронные электродвигатели, для гидроприводов мобильных машин насос присоединяют к валу отбора мощности от теплового двигателя.

12. Фильтр, установленный в сливной гидролинии , выбираем по расходу жидкости или по условному диаметру ,найденному в результате проведённого гидравлического расчёта гидропривода . При этом тонкость фильтрации сливных фильтров должна составлять 10…25 мкм .

13. Типоразмер переливного клапана выбирается с учётом значений и .

Максимальный расход жидкости через клапан и максимальное давление настройки клапана должны удовлетворять следующим условиям:

≥ , ≥ . (14)

При небольших расходах < 1 используют клапаны прямого действия , а при больших расходах – клапаны непрямого действия .

14. Потери мощности потока жидкости в насосной установке

. (15)

ДВУХНАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ДВУМЯ ПЕРЕЛИВНЫМИ КЛАПАНАМИ

15. Подачу насоса в первом периоде цикла работы гидропривода находим по формуле (3) .

16. Подачу насоса во втором периоде цикла работы гидропривода вычисляется по формуле (4) .

17. Подача насоса в третьем периоде цикла работы гидропривода определяется по формуле (5) .

18. Давление рабочей жидкости в напорной гидролинии в первом периоде цикла работы гидропривода находится по формуле (6) .

19. Давление рабочей жидкости в напорной гидролинии во втором периоде цикла работы гидропривода находится по формуле (7) .

20. Давление рабочей жидкости в напорной гидролинии в третьем периоде цикла работы гидропривода вычисляется по уравнению (8) .

21. Типоразмер насоса высокого давления выбирается по каталогу на гидрооборудование по величинам номинальной подачи и номинальному давлению

≥ , ≥ . (16)

22. Типоразмер насоса низкого давления выбирается по каталогу на гидрооборудование по величинам номинальной подачи и номинальному давлению

≥ - , ≥ . (17)

23. Удельный рабочий объём насоса низкого давления

, (18)

где - скорость приводного вала насоса низкого давления ;

- объёмный КПД насоса низкого давления .

24. Удельный рабочий объём насоса высокого давления

, (19)

где - скорость приводного вала насоса высокого давления ;

- объёмный КПД насоса высокого давления .

25. Крутящий момент на валу низкого давления

, (20)

где - механический КПД насоса низкого давления .

26. Крутящий момент на валу высокого давления

, (21)

где - механический КПД насоса высокого давления .

27. Приводная мощность насоса низкого давления

. (22)

28. Приводная мощность насоса высокого давления

. (23)

29. Суммарный крутящий момент насосной установки

. (24)

30. Суммарная мощность насосной установки

. (25)

31. Приводящие двигатели для насосов низкого и высокого давлений выбираем по величинам и , и .

32. Приводящий двигатель для обоих насосов низкого и высокого давлений выбираем по суммарному крутящему моменту и суммарной мощности насосной установки .

33. Потери мощности потока жидкости в насосной установке