методические указания по курсовой работе / Гидропривод

Министерство общего и профессионального образования

Россискойой Федерации

Саратовский государственный технический университет

КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

И РАСЧЕТ ПОРШНЯ И НАГРУЗКИ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА

Методические указания

к выполнению курсовой работы по курсу

"Расчет элементов и устройств автоматики

для студентов по направлению Т-02

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 1996

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с принципом действия, копструкцией гидравлического привода, расчет основных параметров гидропривода.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Конструкция и принцип действия

гидравлического привода

Гидроприводом (ГП) называется совокупность устройств, в которую входят один или несколько гидродвигателей и которая предназна­чена для приведения в движенце механизмов и машин с помощью ра­бочей жидкости под давлением. Блок - схема ГП представлена на рис.1.

ГП состоит из следующих составных частей: гидродвигателя (ГД), устройств управления (регулирующего или направляющего гидрораспре-делителя), источника питания (насоса с приводящим двигателем), кондиционеров рабочей жидкости, гидроаппаратов, гидроемкостей и гидролиний.

Насос преобразует механическую энергию приводящего двигателя в энергию потока жидкости. ГД предназначен для преобразовании энергии рабочей жидкости в энергию движения выходного звена.

Устройства управления выполняются в виде дросселирующих (золотниковых или струйных) гидрораспределителей и предназначены для регулирования расхода жидкости, поступающей в ГД, и соответствии с законом изменения сигнала управления.

С точки зрения систем управления, ГП представляет собой сложную динамическую систему, управляющую движением рабочих ор­ганов. При этои от ГП требуется высокая надежность, безотказность в работе, широкий диапазон регулирования рабочих параметров, мини­мальное запаздывание и большое быстродействие, высокий КПД и малая масса, высокая экономичность производства и удобство в эксплуатации.

Так, например, в системах управления летательными аппаратами ГП выполняет функции быстродействующего исполнительного уст­ройства, обладающего свойством преобразования и усиления сигнала упраления. При помощи ГП можно достичь усиления сигналов управления по мощности в несколько тысяч раз и получить усилия на органах управления в несколько тонн.

По принципу регулирования ГП разделяются на гидроприводы с дроссельным, объемным и объемно-дроссельным регулированием.

Рис.1. Блок-схема гидравлического привода.

В некоторых типах устройства, например, в авиационных, испол­нительный ГД часто выполняется с дросселирующим (золотниковым или струйным) гидрораспределятелем в виде единого агрегата. Это устройство называется исполнительным гидромеханизмом.

Принципиальная схема ГП с дроссельным регулированием пред­ставлена рис.2.

В этом ГП регулирование рабочего параметра (скорости) основано на изменении расхода жидкости с помощью золотникового гидрораспределителя. По своему функциональному назначению в регулируемом приводе золотник является усилителем мощности, состоящим из системы управляемых дросселей.

Величина сопротивления управляемых дросселей, обозначенных на рис.2 цифрами 1,2,3,4, изменяется при смещении золотника вследствие изменения площадей рабочих (дросселирующих) окон.

В ГП с последовательно-дроссельным регулированием применяет­ся четырехдроссельный симметричный золотник, рабочие окна которого включаются последовательно с ГД. Причем, жидкость дросселируется на двух ступенях: на входе в ГД (рабочее окно-1) и на выходе из него (рабочее окно-2).

При изменении знака сигнала управления в золотниковом гидро­распределителе (ГР) вступает в действие вторая пара последовательно включенных рабочих окон (S и А), которые позволяют осуществить реверс движения жидкости в скорости ГД.

Принцип действия: жидкость под постоянным давлением Р_н по­дается в золотниковый гидрораспределитель. При смещении золотника, например, вправо от своего нейтрального положения, открывается окно 1 на входе в силовой цилиндр и окно 2 на выходе иа него.

Золотниковый гидрораспределитель направляет рабочую жидкость в гидродвигатель, в котором основная часть энергии потока преобразует­ся в механическую энергию движения поршня.

Простота принципа регулирования скорости с помощью золотника заключается прежде всего в том, что изменение гидравлических сопро­тивлений управляемых дросселей достигается при малых совмещениях золотника, измеряемых в долях миллиметра. Чем больше смещение зо­лотника <JT своего нейтрального положения, тем больше площадь дроссе­лирующего окна к, следор^тельно, тем больше расг.?д* жидкости и ско­рость движения гидравлического двигателя.. . t

В регулируемом приводе золотник обеспечивает непрерывное регу­лирован: ^расхода жидкости я скорости приседа.

I

р* ■

а

о

о

$ .

И

!| s а g a

I i

&. -А I S

I ^ с

См

Описание конструкции гидроцилиидра

Гвдродилиндры применяют в качестве исполнительных гидродви-гатслей возвратно-поступательного действия. 'При помощи гидроцилив-дров можно управлять поворотом рулей, элеронов и щитков. Гндроца-линдры просты по конструкции, экономичны в производстве и надежны в эксплуатации.

Гндроцилявдр с двухсторонним штоком (рис.8) состоят ив сталь-вой гильзы 3, имеющей полированную внутреннюю поверхность, порт* ня б с резиновыми уплотнителями 4, штока 1 и крышек 2. ^

Теоретический расход жидкости гидроцнлиндра прямо пропорцио­нален линейной скорости движения поршня

(1)

где Ал - рабочая площадь поршня.

V - линейная скорость поршня, см/с. *

Усилие на штоке гидроциляндра прямо пропорционально перепад»' , давлений, действующих на поршень:

(3)

(4)

* Достоинства и недостатки гидравлического привода

Преимущества гидравлического привода по сравнению с другими ■ приводами, в том числе и электрическими, вытекают из самого принци­па передачи энергии с помощью жидкости.

Одно из самых главных достоинств гидравлических приводов -высокий уровень напряжения (давления) рабочей среды (жидкости), создающей крутящий момент, на роторе гидравлической машины. Если в электрических машинах вследствие насыщезич плотность магнитного потока в электротехнической стали весьма ограничена н поэтому элек­тромагнитная движущая сила на единицу площади рабочего зазора не превышает 200Н / см*, то давление жидкости в современны; гидра-вличе'-кчх приводах достигает 2000 - Э500Н/ см'.

Кроме того, момен. инерции ротора гидрааг.ччеекой машины зна­чительно меньше, чем рртора злектричесдаЯ машины. В результате от­ношение полезярго крутящего момента к моменту инерции ротора в ги-

древлнчееком приводе на порядок больше, чем а электрическом.

Т.о. определены преимущество гидравлического привода во бы-отродействию в располагаемым ускорениям. Гидравлический привод-это привод больших ускорений и высокого быстродействия.

К достоинствам гидропривода можно отвести сравнительно малую силу тяжести (вес) гидравлических машин на единицу полезной мощ­ности. Это преимущество заметно проявляется при мощаостях*привода, превышающих 1000 Вт. Например, при мощности 3000 - 4000 Вт авиа­ционный регулируемый насос имеет силу тяжести в 2 - 3 раза меньше, чем у генератора постоянного тока, при удельной силе тяжести 6-7 Н/кВт, а удельная сила тяжести гидродвигатсля составляет не более 2,8 Н/кВт. *

• У гидравлического привода малое скольжение и большая жест­кость нагрузочной (мехачической) характеристики, которые определяют стабильность скорости при изменении величины и знака нагрузки в рас­четном диапазоне.

У гидроприводов большой коэффициент усиления но мощности, сравнительно высокий КПД (60% -70%), возможно применение простей­ших по конструкции гидродвигатедей в виде гидроцилиндров, что зна­чительно упрощает и удешевляет привод.

К недостаткам гидроприводов можно отнести сложность и гро-лоадкооть источника питания, необходимость тщательной фильтрации жидкости и надежного уплотнения подвижных соединений, изменение характеристик при изменении температуры, большое запаздывание при передаче гидравлического сигнала (импульса) на большие расстояния, с. ижность ■ эксплуатации в дороговизну ремонта н монтажа.

Критический анализ преимуществ и недостатков привода позволя­ет правильно выбрать тог или иной тип привода всходя из заданных технических требований в условий работы.

Статические в динамические характеристики

гидравлического прввода . е дроссельным регулированием

Гидравлический привод е ооследоватеяьао-дрооовльиым регулиро­вавшем, сочетающий а себе такше важные качества, гак высокая чувст-МТйлмюеть к бол'.шм быстродействие, простом конструкции и надеж-. «ость » работе, it проке применяется на летательных аппарат в качеств* валового аснолн1ггальао"о привода для управлелая рулями а

другими рабочими органами.

Дроссельный привод используется в широком диапазоне различу вых видав нагрузок и мощностей начиная с нескольким десятков ватт в уст­ройствах управления антеннами самонаведения и кончая десятками ки­ловатт в бустерных сверхзвуковых авиационных лайнерах. Одно на главных преимуществ дроссельного привода состоит в плавном непре­рывном регулировании изменения скорости в широком диапазоне и в простоте управления золотником, который требует для своего перемеще­ния малых усилий.

Регушровочные свойства дроссельного привода оцениваются его скоростной статической характеристикой, которая выражает зависимость скорости установившегося движения "выходного звеаа" привода или гидродвигателя от перемещения золотника. В идеальном случае (идеальный золотвак и силовой гидроцилиядр) скоростная характер ч-отика статически неиагружеввого правода выражается- уравнением пря­мой линии:

(6)

где

коэффициент усиления дроссельного привода во ско-

рости.

Статическая характеристика, определяющая значения коэффици-аатов усиления при различных амплитудах входного сигнала и учиты­вающая насыщение но скорости, существенно влияет на устойчивость и быстродействие следящего привода.

Под нагрузкой понимают комплекс статических и динамических вид, действующих на рабочий орган системы управления при его движе-шш по заданному закону.

Научение нагрузки позволяет рассчитывать требуемый расход а мощность гидропривода, а также определить конструктивные параметры входящих в него элементов.

В общем виде вагруак" на гидропривод летательного аппарата из­меняется в широких пределах и представляет собой сложный комплекс еид. Для исследования статики и динамика систем управления удсЗво вагруаку выражать в зависимости от ее скорости, ускорения н оеремв-вдеяая.

Гидропривод предназначен для приведения в движение нагру­женных рабочих органов (рулей, элеронов) по заданному закону. Зависимость требуемого усилия от требуемой скорости дьаженна рабочего органа называется диаграммой нагрузки.

Диаграмма на.рунш дает представление о мощности иагружения я воавоадет рассчитать конструктивные параметры привода е учетом его энергетических воаможностой.

Определение конструктивных параметров гидропривода на основании диаграммы нагрузки

Диаграмма нагрузки может быть получена экспериментальным путем во время полета самолета или рассчитана теоретически для типо-эого режима работы.

Наиболее характерным законом движения рабочего оргава (нагпузки) в привода управления ва летательном аппарате является за-гСш гармонических колебаний. В этом случае диаграмма нагрузки изображается в координатах скорость-нагрузка в виде эллипса.

Рассмотрим уравнение эллипса нагрузки с учетом упругих факто­ров при вынужденных гармонических колебаниях динамической моделч исполнительного гидропривода с дроссельным регулированием.

Полагая, что масса поршня силового цилиндра мала по сравнению о массой нагрузки и ею можно пренебречь, будем учитывать сжимае-- мость жидкости в виде "гидравлической пружины" силового цилиндра Сг, а упругость конструктивных элементов силовой пролодки пру ки­кой Скон.

Система движения динамической модели гидропровода записывается в виде:

• уравнение давления

(в)

где

уравнение сил, действующих ча идеалььый поршень си-

лового цилиндра

(7)

где

-жесткость гидравлической пружины силового цилиндра

Слов - жесткость силовой проводки,

• уравнение движения массы нагрузки (II закон Ньютона)

где yi- коорддехты перемещения идеального аоршня при несжимаемо* жидкости и отсутствии трения,

у» - координата перемещения нагрузки, лри» денная к оса поршня,

m - маем мгружкш,

С • цовффицшлп аоиодоявой (шарнирной) нагрузки, приведенной к оси портив, - *

- уравнение гидравлической характеристики скольжеаия гндродвигвте-ля е учетом неразрывности потока жидкости и ограничения давления питания.

(»)

Преобразуя уравнение (8), представим передаточную функцию упру­гих элементов в виде консервативного звена:

(10)

где

частота собственных колебаний массы т.

При вынужденных гармонических колебаниях частотная характеристика в соответствии с передаточной функцией (10) имеет вид:

(И)

где A (w) ■ амплитудная частотная характеристика,

(w) - фазовая частотная характеристика.

При вынужденных гармонических колебаниях перемещение, ско рость я ускорение идеального гцдродвягател; записываются в виде:

(12)

а перемещение, скорость и ускорение нагрузк.-i с учетом передаточной функции Wy(S) соответственно:

(18)

где Ai, А* - амплитуда колебаний гндродвягателя и нагрузки, которые связаны соотношением:

(14)

w - частота вынужденных колебаний.

Для авиационных систем управления, когда демпфирование на­грузки мало и им можно пренебречь, считают, что при частотах вы­нужденных колебаний w < w« сдвиг по фазе ;•'„(»') = 0. Тогда полу­чим:

(15)

С учетом формуя (12) в (14) требуемая скорость вынужденных колебаний идеального гидродвигателя выражается через параметры ко­лебаний нагрузки в виде: *

(1в)

а требуемая нагрузка гидродвигателя на основании формул (7), (8) и (14) записывается:

(17)

Исключая не выражения (16) и (17) время и'решая их совместно, поручите диаграмму нагрузки в виде уравнения эллипса:

(18)

где w. А» - веданные частоты и амплитуда колебаний нагрузки,

A(w1 • амплитудная частотная характеристика передаточной функции (Ю).

В общем случае, е учетом постоянное по величине силы нагруже-ния, уравьежве эллипса нагрузки запишется:

<1в)

(21)

Максимальное значение мощности нагруженил' ври исследовании функция (21) на экстремум соответствует координате nmmm

(22)

Основными конструктивными параметрами гидравлического при вода являются рабочая площадь поршня силового цилиндра Ад, пло­щадь рабочего дросселирующего окна золотника при его максимальном смещении As, рабочий объем камеры гидродвигателя и гидравлической магистрали V, давление питания Раит и приведенное значение модуля объемной упругости жидкости Е. Часть этих параметров может быть заранее задана или выбрана (Рпиг, Б). Определение олальных пара­метров зависит от характера диаграммы нагрузки, оптимального коэф­фициента полезного действия и быстродействия дроссельного привода.

Расчет конструктивных параметров гидропривода должен удовлетворять условиям:

Первым основным условием, обеспечивающим требуемый закон движения нагрузки, является условие совместимости диаграммы на­грузки и механической характеристики гидропривода. Это условие за­ключается в том, чтобы диаграмма нагрузки всеми своими точками рас­полагалась внутри области скоростей и усилий, обусловленных механи­ческой нш рузкой-характеристикой:

(28)

т.е. располагаемые мощаости и скорости движения привода, опреде­ляемые его механической характеристикой, должны быть больше вши равны соответствующим при тех я > значениях сил требуемым мощно-етам, обусловленным диаграммой нагрузки.

Уравнение механической характеристики запишете* в виде уравнения параболы: при х=Хт

(*♦>

Изменяя параметры An и V* «, можно подобрать такую параболу механической характеристики, которая будет охватывать заданную диа­грамму нагрузки и «тим самым обеспечит выполнение первого веобхо-

днмоге усЛоаия.

Вторым условием для получения оптимальных конструктивных параметров является условие работы гидропривода в оптимальном энер­гетическом режиме. Для выполнения атого условия из всех возможных вариантов необходимо выбрать такой привод, у которого максимальное значение мощности его механической характеристики совпадаю бы по координате сил нагружения с максимальным значением мощности на-rpySKB. Это условие записывается формулой:

(25)"

где Fh — РмжгАо - пусковое значение усилия на поршне, * Fk - усилие аагружения, при котором мощность нагрузки имеет максимальное значение.

Зная численное значение Fk и Зонт, можно определить расчетное значение рабочей площади поршня, удовлетворяющее условию опти­мального энергетического режима в виде:

(26)

где Fk - определяется по формуле (22).

Для определения площади дросселирующего окна золотника мож­но использовать условие V расп jVk при F*F к. Это условие с учетом формулы (24) можно записать так:

(27)

Иа формулы (27) определяем гидравлическую проводимость дрос­селирующего окна при х =■ Хщ в виде

(38)

площадь дросселирующих оков при атом будет иметь аиячвяне

вадание по оаредшмёПо* основных конструктивны* п&рш&трОЯ гидропривода.

На основания таблицы исходных данных е уютом вариаята веде­ния необходимо рассчитать оеножые конструктивные параметры гидро­привода с дроссельным регулированием на основании диаграммы на-nivaKH

Исходные лмкые\ № варианта _ А 2 3 4 6 Давление питания. ____1Ш 2000 2200 2400 2в00 Масса нагрузки, яг . I 100(5 1200 1400 1000 1800 Постоянная Вагруэка, И .. 10000 12000 14000 16000 18000

на формулы \£t f опрвд/впн9я гидравлическую ирояодщмооп» дрос­селирующего окна при х — Хя 8 виде: -

(29)

а площадь дросселирующих оков иск ЭТОМ будет иметь вначевие:

(»)

Пример:

Расчет основных кояетруитябмых мраыпров гидропривода *

Определим очмонные конструктивнее параметры гидропривода дроссельным регулированием (рис.2) на основании диаграммы iarpynm.

Исходные данные

Давление питакия Р.т = ^в60Н/см*

Масса нагрузки т—1000кг

Коэффициент позиционной Ст"= 180000 Им

Еагрузки

Амплитуда гармонических колеба- Аз~0,8см ний нагрузки

Частота колебаний W-20 1/с

Постоянная нагрузка Fo~10000 H

. Ход поршня силового цилиндра У max = ±4 см

"Коэффициент жесткости силовой ^«о«-^*Ю Н/м проводки , щ"

•Рабочая жидкость ' АМТ -10 •

Приведенное значение модуля обт • «мной упругости рабочей жидкости

Определяем:

- полуось эллипса нагрузки (19) по оси сил

- координату силы ввгружения, которая соответствует максималь­ному яначеяню мощности нагруакн f 22).

- площадь поршня валового гидроцилиядра (26).

Для расчета принимаем: Ап-=8см, диаметр поршнг D~4eM, диаметр штока d=£ 4; d/D-0.6.

Коэффициент жесткости гидравлической иружины силового гядро-цнлнндра:

Обобщенная жесткость гидромеханической системы поввола (71

Частота собственных колебаний массы нагрузки ПОЛ

Полуось эллипеа Во беи скоростей \19)

Уравнение эллипса нагрузки (l 9-), который графически представлен на рнс.4.

оначеняе скорости гидропривода, при котором вяла наложений F~V.

Гидравлическая проводимветь управляемого доооееяя волотяпк.

Площадь рабочего «яа упрадеядоога дросселя оря -О.Обем:

Длява враюуга»<юго рабочего ома рря Х.-0.05 ем:

Седюеть пцфопркводс ш холостом ходу (F-0)

Уршмме ммлтммй харахтернстаки пшиввтт (34)

Пусковое т i«rie дмиццциц усилия гждропрааода

Мгчеюшште зшпевне мощности гироираводо '

Н* оеяовашш вмучтвой лш^оош вагру»кя мирю, что уечовяе ^вётепа нощвоетей к скоростей механической характержстяка м тре-Ъфпвлж иющшов»JJ я скоростей диаграммы ватрушся обвепмгно.

Др—ермл второе усломв: