§ 2. Динамика и расчет аккумуляторного гидропривода

Некоторые литейные машины с гидроприводом при работе требуют за короткий промежуток времени высоких расходов напорной жидкости. Например, в момент запрессовки расплавленного металла в пресс-форму на средних машинах литья под давлением расход жидкости составляет 17…34 дм³/с (1000… 2000 л/мин) при давлениях 10…15 МПа (100…150 кгс/см²).

Этот расход необходим только в интервале времени порядка долей секунды при цикле 10…20 сек. В данном случае применение привода с насосом высокой производительности и высоким давлением будет нецелесообразно, поскольку он будет работать практически все время вхолостую. С целью повышения экономичности гидропривода в подобных случаях устанавливают привод с аккумулятором.

Аккумулятор предназначен для накопления энергии при работе насосов малой мощности в промежутки времени, когда исполнительный механизм не потребляет жидкости или расходует ее в незначительных количествах. Накопленная в аккумуляторе энергия может быть отдана за короткий промежуток времени. В гидроаккумуляторах в качестве носителя потенциальной энергии используют газ, пружины, грузы. В машинах литья под давлением устанавливают преимущественно газовые гидроаккумуляторы.

Принцип действия гидропривода с газовым аккумулятором заключается в следующем. Большую часть рабочего цикла насос подает жидкость в баллон со сжатым газом. Жидкость сжимает газ, и давление в нем повышается. При подключении гидроцилиндра к гидроаккумулятору накопленная в нем жидкость под давлением сжатого газа и практически при постоянном давлении устремляется в гидроцилиндр.

Проанализируем работу гидропривода с аккумулятором на примере гидропривода механизма прессования машины литья под давлением с вертикальной камерой (рис. 158).

При анализе рабочего процесса гидропривода с аккумулятором будем считать постоянным давление газа в аккумуляторе р_а = const. Расход жидкости из аккумулятора определяется скоростью поршня.

По аналогии с насосным гидроприводом уравнение рабочего процесса аккумуляторного гидропривода будет иметь вид

. (191)

Рассмотрим холостой ход прессового механизма при P_р =0.

Если

и

B=A+kA_в ,

то

. (192)

После решения уравнения (192) относительно получаем

. (193)

Выражение (193) позволяет определить изменение скорости прессующего поршня по времени.

По формуле (193) можно найти скорость при установившемся режиме работы, т. е. при . В этом случае скорость будет максимальной

. (194)

К моменту соприкосновения прессующего поршня с поверхностью расплава скорость должна быть максимальной или близкой к ней. Если известна технологически необходимая скорость запрессовки ,to по формуле (194) определяют значение В и по нему – расходные характеристики подводящего и отводящего трубопровода методом подбора.

Для определения изменения давления по времени в рабочей полости прессового цилиндра несколько преобразуем уравнение (191) рабочего процесса. Принимаем

,

тогда

. (195)

Продифференцировав уравнение (193) по t и подставив иυ² в уравнение (195), получим

, (196)

где

Из формулы (196) следует, что сразу после включения распределителя (при t = 0) р = р_а, т. е. равно давлению в аккумуляторе. Но мере увеличения скорости поршня растут потери в трубопроводе, и давление в рабочей полости уменьшается (рис. 159), достигнув в установившемся режиме (при ) величины

.

Процесс запрессовки металла в пресс-форму описывается

уравнением (191) при

где F_м – площадь прессующего поршня;

p_м – давление металла в камере прессования.

Давлениер_м зависит от скорости прессового цилиндра, гидравлического сопротивления питателя и литниковой системы, массы металла, находящейся в движении.

Реальная осциллограмма (рис. 160) рабочего процесса механизма прессования машины литья под давлением показывает изменение скорости поршня и давления р в рабочей полости по времени. При подключении цилиндра к аккумулятору в рабочей полости сразу появляется давление, близкое к давлению р_а в аккумуляторе. Но по мере разгона оно резко снижается. На участке свободного хода t_x скорость и давление стабилизируются. В момент начала запрессовки металла в пресс-форму вследствие повышения сопротивления со стороны металла давление в рабочей полости возрастает, а скорость снижается. Через небольшой промежуток времени скорость и давление на участке прессования t_np вновь стабилизируются, а в конце процесса, когда пресс-форма заполнится металлом, поршень останавливается и давление в рабочей полости становится близким к давлению в аккумуляторе. Однако на некоторое мгновение оно резко возрастает, что объясняется возникшим гидравлическим ударом.

Гидропривод на протяжении всего рабочего хода работает практически в переходных режимах, характер которых необходимо учитывать при расчете привода машин литья под давлением. Одним из методов повышения скорости поршня является снижение гидравлического сопротивления трубопровода за счет уменьшения его длины и увеличения площади сечения.

Аккумуляторы. Размеры газо-гидравлического аккумулятора и особенно объем его газовой части определяют работоспособность гидропривода и режимы его работы. Необходимо учитывать, что к концу выполнения операции с большим расходом жидкости давление в аккумуляторе резко снижается. Это объясняется увеличением замкнутого объема газа при потреблении жидкости. Размеры аккумулятора необходимо выбирать такими, чтобы к концу любой операции падение давления в системе не было ниже допустимой величины.

Коэффициент падения давления а показывает, насколько уменьшается давление в системе к концу операции

, (197)

где р_а и р_к – давление газа в аккумуляторе соответственно начальное и после выхода из него объема V жидкости.

Современные машины литья под давлением требуют, чтобы а > 0,95.

Полный объем аккумулятора V_ак складывается из объема газовой части V_г и объема жидкости V_м (рис. 161)

.

В исходном положении давление равно р_а , а объем газа V_а . При выходе жидкости объемом V из аккумулятора объем газовой части увеличится на V и к концу процесса станет

Расширение газа в полости аккумулятора происходит по политропическому закону с показателем полтропы п = 1,3  1,4:

Тогда с учетом формулы (197) получаем

.

Откуда

.

Если принять

то

. (198)

В машинах литья под давлением величина β = 0,3  0,5. Объем жидкости в аккумуляторе необходимо увеличивать, чтобы предотвратить уход газа при утечках жидкости через запорный клапан во время длительных остановок машин.

В газогидроаккумуляторах машин литья под давлением применяют технический азот. Этот газ плохо растворяется в минеральном масле и не образует с маслом взрывоопасной смеси. Если рабочей жидкостью является эмульсия, то в аккумуляторах можно применять сжатый воздух.

В индивидуальном гидроприводе машин литья под давлением газогидроаккумуляторы устанавливают непосредственно на станине машины. Объем баллонов аккумуляторов от 40 до 200 дм³.

В некоторых машинах литья под давлением используют поршневые аккумуляторы. В них жидкость отделена от газа поршнем. Такой аккумулятор имеет небольшой рабочий объем, несколько превышающий единовременный расход жидкости за один рабо­чий ход прессового гидроцилиндра, что позволяет уменьшить массу жидкости, приходящей в движение, и тем самым уменьшить ударные явления в конце запрессовки металла в пресс-форму. Для стабилизации давления газовую полость небольшого аккумулятора подключают к дополнительным баллонам со сжатым воздухом или азотом.

Гидропривод с аккумулятором улучшает эффективность работы привода не только с большими кратковременными расходами, но и с меняющимися расходами и большими паузами в потреблении жидкости в течение одного цикла.

Для определения производительности насоса составляют график потребления жидкости гидросистемой по времени (рис. 162).

Производительность насоса выбирают с учетом того, что за цикл в аккумулятор должно поступить количество жидкости, равное ее расходу за это же время. Тогда производительность насоса

, дм³/c, (199)

где Q_i – мгновенный расход в интервале времени t_i в дм³/с,

t_ц – продолжительность цикла работы установки в с;

_о – объемный к. п. д.