МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический

университет

К.В. Бородкин, а.И. Болдырев,

В.В. БОРОДКИН, В.В. ДОЛГУШИН

ГИДРОПНЕВМОПРИВОД СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ

И КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Учебное пособие

Воронеж 2002

УДК 621.9 - 05

Гидропневмопривод специальных технических систем. Индивидуальный практикум и курсовое проектирование: Учеб. пособие / К.В. Бородкин, А.И.Болдырев, В.В.Бородкин, В.В. Долгушин.-. Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2002. - 100 с.

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование» (рег. номер 273 тех/дс, приказ Министерства образования Российской Федерации от 02 марта 2000 г. № 686) к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по подготовке инженеров специальности 120100 «Технология машиностроения», цикл «Общепрофессиональные дисциплины», национально- региональный компонент (ОПД. Р. 01), дисциплина - гидропневмопривод специальных технических систем.

Рассмотрены теоретические, методические и практические особенности индивидуального практикума и курсового проектирования по дисциплине, а также приведены типовые примеры их выполнения.

Учебное пособие предназначено для преподавателей и студентов всех форм обучения специальности 120100.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD 97, содержится в файле УП ГПП.doc, объем файла 34 Мб.

Табл. 8, ил. 32, библиогр.: 10 назв.

Научный редактор - канд. техн. наук В.В. Бородкин

Рецензенты: кафедра гидравлики, водоснабжения и водоотведения Воронежского государственного архитектурно–строительного университета;

канд. техн. наук И.Т. Коптев

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.

 Бородкин К.В., Болдырев А.И.,

Бородкин В.В., Долгушин В.В., 2002

 Оформление. Воронежский

государственный технический

университет, 2002

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов специальности 120100 «Технология машиностроения» и ориентировано на оказание им методической и практической помощи в изучении курса «Гидропневмопривод специальных технических систем».

Современные гидравлические и пневматические системы крайне разнообразны по принципу действия, назначению, конструкции устройств, составляющих систему, и по целому ряду других признаков. По своему назначению их можно разделить на системы, которые используют при управлении различными механизмами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс в этих объектах. Примерами систем первого класса могут служить системы, с помощью которых осуществляется управление технологическим оборудованием, приспособлениями и другими устройствами. Ко второму классу относятся системы смазки, охлаждения и обеспечения рабочего процесса при выполнении специальных технологических операций, например, при электрохимической обработке поверхностей деталей сложного профиля. Успешное изучение упомянутых гидравлических устройств невозможно без использования практики решения конкретных технических задач - процесса, развивающего самостоятельное инженерное мышление и технический кругозор.

Курсовой проект по дисциплине «Гидропневмопривод специальных технических систем» является самостоятельной работой, выполняемой студентами под руководством преподавателя – консультанта кафедры. Выполнение курсового проекта способствует расширению, углублению, систематизации и закреплению теоретических знаний студентов и применению этих знаний для проектирования средств технологического оснащения процессов с использованием гидропневматических приводов. При выполнении курсового проекта студент приобретает дополнительные навыки пользования справочной литературой и стандартами, учится умело сочетать справочные данные с теоретическими знаниями, полученными в процессе изучения курса.

В настоящем учебном пособии приведены теоретические основы, методика, задания и примеры выполнения индивидуального практикума и курсового проекта по дисциплине «Гидропневмопривод специальных технических систем», дается необходимый список специальной и справочной литературы.

1. ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ

1.1. Динамика рабочих сред в регулирующих устройствах и элементах систем гидропневмопривода.

В цепях управления и в станциях питания гидро- и пневмосистем для регулирования потоков рабочих сред, т.е. поддержания или изменения в определенных пределах давлений и расходов, используются различные по принципу действия и конструктивному исполнению дроссельные устройства, к которым относятся золотниковые распределители, сопла-заслонки и клапаны. Золотниковые распределители могут иметь различное число регулируемых дросселей, создаваемых в виде щелей кромками буртов золотника и кромками окон во втулке. Другим видом дроссельных устройств являются сопла-заслонки, в которых дросселем с регулируемым проходным сечением служит сопло, прикрываемое заслонкой. При этом цепь управления сопла-заслонки обязательно содержит хотя бы один нерегулируемый дроссель. Клапаны применяются в гидро- и пневмосистемах как в качестве автоматически действующих регулирующих устройств (предохранительные клапаны, переливные клапаны, редукционные клапаны), так и в качестве распределительных устройств, выполняющих те же функции, что и золотниковые распределители.

Все виды дроссельных устройств с регулируемыми и нерегулируемыми проходными сечениями представляют собой местные гидравлические сопротивления, установившийся расход среды через которые определяется по известным из гидравлики формулам. Если рабочей средой служит жидкость, то

(1.1)

где - объемный расход жидкости, протекающей через дроссель;

- коэффициент расхода;

- площадь проходного сечения дроссельного устройства;

- перепад давления на дроссельном устройстве;

 - плотность жидкости.

Коэффициент расхода , входящий в формулу (1.1), в общем случае, зависит от формы проточной части дроссельного устройства и является функцией числа Рейнольдса, определяемого соотношением

Re = 4RV/, (1.2)

где R - гидравлический радиус, равный отношению площади поперечного сечения щели к ее смоченному периметру;

 - коэффициент кинематической вязкости жидкости;

V - скорость жидкости, которая при определении числа Рейнольдса может быть принята .

При известной зависимости для коэффициента расхода формула (1.1) позволяет рассчитать статические характеристики золотникового распределителя, сопла-заслонки или клапана. Статической характеристикой перечисленных здесь устройств называется зависимость, связывающая между собой различные установившиеся значения либо двух, либо трех следующих величин: расхода рабочей среды, перепада давления, перемещения подвижного элемента устройства.

Если в качестве рабочей среды в дроссельных регулирующих устройствах используется воздух или какой-либо другой газ, то в случае адиабатного течения совершенного газа объемный расход после дросселя вычисляют по формуле:

(1.3)

где - коэффициент расхода, значения которого лежат обычно между 0,8 и 1,0;

- площадь проходного сечения дросселя;

и - давление и температура газа до дросселя;

- давление газа после дросселя;

R - газовая постоянная;

- функция, график которой показан на рис.1;

k - показатель адиабаты;

.

Рис.1. График функции

Элементы (золотники, затворы клапанов, заслонки) дроссельных регулируемых устройств могут быть нагружены силами трения, силами давления и силами, приложенными со стороны других устройств.

Силы трения подразделяют на силы сухого и жидкостного трения. Силы сухого трения возникают из-за неравномерного распределения давления в зазорах, действия составляющих от усилий пружин или каких-либо устройств, управляющих подвижным элементом. Наличие малых зазоров может способствовать возникновению сил трения покоя из-за облитерации (заращивания) зазоров. При создании регулирующих устройств силы сухого трения предельно уменьшают за счет высокой точности изготовления деталей, применения различных способов специальной обработки поверхностей пар трения, выполнения канавок, выравнивающих давления в зазорах, принудительным вращением пар трения или созданием вибраций и т.п. Силы жидкостного трения характеризуются касательными напряжениями, возникающими в рабочей среде на поверхностях элементов регулирующих устройств и могут быть определены с помощью закона вязкого трения Ньютона.

Силы давления рабочей среды направлены по нормалям к поверхностям элементов регулирующих устройств. Эти силы подразделяются на гидростатические и гидродинамические. Первые из них вызываются действием давления на неподвижные элементы при покоящейся или движущейся с пренебрежимо малыми скоростями рабочей среды, вторые обусловлены действием давления при движении рабочей среды или при движении элемента в этой среде. Для геометрических параметров реальных регулирующих устройств величина гидродинамических сил близка к величине гидростатической силы. Так, например, для устройства типа сопло-заслонка с острыми кромками сопла величина гидродинамической силы, воздействующей на заслонку, будет составлять , где- гидростатическая сила. Кроме того, для повышения устойчивости к автоколебаниям элементов регулирующих устройств применяют различные способы уменьшения гидродинамических сил, например, компенсации, при котором золотнику и втулке придают форму, обеспечивающую встречное направление действия гидродинамических сил на золотник при обтекании двух его буртов рабочей средой. Поэтому при решении задач, включенных в раздел 1.1, в качестве основных сил при составлении уравнений равновесия подвижных элементов устройств рекомендуется использовать только гидростатические силы.

Методика решения задач данного раздела сводится к совместному анализу уравнений (1.1) или (1.3) с уравнениями равновесия подвижных элементов различных типов регулирующих устройств.

1.1.1. Пример решения задачи.

Ограничитель расхода жидкости, конструктивная схема которого приведена на рис. 2, служит для автоматического поддержания постоянного расхода в системе при постоянном входном давлении и переменном противодавлении, состоит из подвижного поршня 1 диаметром D, имеющего отверстие d и нагруженного пружиной 2. При изменении противодавления поршень 1 перемещается, изменяя открытие b окон в корпусе 3 таким образом, что расход жидкости через ограничитель остается постоянным. Считая усилие пружины R постоянным, определить для входного давления жидкости, равного :

1. Величину расхода Q, поддерживаемого ограничителем расхода жидкости.

2. Зависимость открытия b окон от противодавления и величину открытия при.

3. Максимальное значение противодавления, начиная с которого расход через ограничитель будет уменьшаться.

Коэффициенты расхода отверстия в поршне и окон в корпусе принять  = 0,6. Плотность рабочей жидкости . Суммарнаяплощадь прямоугольных окон в корпусе . Другие исходные параметры для расчета: R = 550 Н, =12 МПа, D= 50 мм, d= 12 мм, = 5 мм.

Рис.2. Ограничитель расхода жидкости

Обозначим: - давление в дросселирующей камере поршня. Тогда

, (1.4)

где f = /4.

Из уравнения равновесия поршня

,

где F = /4 (- ), находим

. (1.5)

Решая совместно уравнения (1.4) и (1.5), получаем

. (1.6)

Расход жидкости, протекающей через прямоугольные окна, определяется уравнением

, (1.7)

где S = .

Из уравнения (1.5) имеем

. (1.8)

Решая совместно уравнения (1.6), (1.7) и (1.8), находим

, (1.9)

откуда с учетом условия задачи после преобразований, получаем

. (1.10)

Решая уравнение (1.9) при условии , находим

. (1.11)

Подставив исходные числовые данные в уравнения (1.6), (1.10) и (1.11), будем иметь

.

Аналогично решаются и другие задачи, представленные в разделе 1.1. Варианты исходных данных для решения задач данного раздела приведены в приложениях А и Б.

1.1.2. Задача № 1 для самостоятельного решения.

Рабочая жидкость подается к гидроусилителю типа сопло - заслонка под постоянным давлением . Командный элемент гидроусилителя (рис. 3) включает в себя постоянный дроссель 1 в виде жиклера диаметроми регулируемый дроссель 2 в виде сопла диаметром= 2 мм с подвижной заслонкой 3 на выходе.

Рис.3. Командный элемент гидроусилителя

Давление в камере между дросселями передается в рабочую полость исполнительного гидроцилиндра 4 с диаметромD, поршень 5 которого опирается на пружину 6 жесткостью Спр. и нагружен силой R. При изменении зазора h между соплом и заслонкой изменяется давление , вызывая следящее перемещение поршня. Коэффициент расхода рабочей среды через сопло изменяется в соответствии с функциональной зависимостью, приведенной на рис. 4.

Рис.4. Взаимосвязь коэффициента расхода

и относительного зазора

Построить график зависимости между зазором h и смещением s поршня из крайнего положения, отвечающего условию h = 1 мм. Построить график зависимости коэффициента расхода  через сопло-заслонку от отношения зазора h к диаметру сопла . При расчете принять коэффициент расхода через жиклер= 0,8. Другие исходные данные приведены в приложении 1.

1.1.3. Задача № 2 для самостоятельного решения.

Объемный насос, подача которого , питает рабочей жидкостью ( = 870 )два параллельных силовых гидроцилиндра одинакового диаметра D = 50 мм. Для синхронизации работы гидроцилиндров использован делитель расхода (рис.5), в котором две ветви потока проходят через дроссельные шайбы диаметром и цилиндрические золотниковые окна высотойS = 2 мм, перекрываемые плавающим поршеньком диаметром . При неодинаковых нагрузках гидроцилиндров поршенек смещается в сторону менее нагруженной ветви, изменяя сопротивление ветвей (за счет неодинаковых открытий золотниковых окон) и поддерживая равенство расходов, поступающих в гидроцилиндры.

Определить скорость установившегося движения поршней гидроцилиндров, давление насоса на входе в делитель расхода и смещениеX поршенька из крайнего положения при нагрузках гидроцилиндров и.

Рис.5. Делитель расхода (порционер)

Потерями напора в трубах, трением и утечками рабочей среды в гидроцилиндрах пренебречь. Коэффициент расхода дроссельных шайб принять и золотниковых окон -. Другие исходные данные приведены в приложении 2.