1.4 Задания для выполнения расчетов по выбору

гидронасоса системы автоматизации и управления

Выполнить расчеты по выбору гидронасоса и подобрать необходимый его типоразмер для системы автоматизации и управления по исходным данным, которые вычисляются по следующим соотношениям:

n_опт.з. = 960 об/мин для NN = 00-50;

n_опт.з. =1450 об/мин для NN = 51-99,

где NN - две последние цифры зачетной книжки или номер задания, выданный преподавателем; = 10 л/мин; = 15 л/мин; = 25 л/мин; = 35 л/мин; = 10 МПа. Для студентов, номера зачетных книжек которых заканчиваются на нули, в задании вместо 0,NN необходимо делать подстановку 1,00.

2 Расчеты по выбору гидроцилиндров систем

автоматизации и управления

2.1 Цели индивидуальной работы по выбору

гидроцилиндров:

- рассчитать согласно заданию и подобрать по соответствующим стандартам геометрические размеры для гидроцилиндра;

- выбрать необходимый типоразмер гидроцилиндра, серийно выпускаемый промышленностью для системы автоматизации и управления.

2.2 Расчеты по выбору типа гидроцилиндра

При проектировании систем автоматизации и управления станков, роботов или другого технологического оборудования, в которых в качестве исполнительных механизмов предполагается использование гидроцилиндров, вначале устанавливают исходные данные для расчетов. Основными исходными данными для расчетов по выбору гидроцилиндров являются:

N₁ - сила, развиваемая гидроцилиндром для преодоления полезного сопротивления при перемещении груза по вертикали или по горизонтали, Н (можно принимать ориентировочно 1кгс =10 Н);

L - ход поршня (и штока) гидроцилиндра (максимальный), мм;

V₁, V₂ - скорость перемещения штока гидроцилиндра соответственно в одну или другую сторону (вперед-назад, вверх-вниз), м/с.

В качестве примера рассмотрим расчеты по выбору гидроцилиндра двухстороннего действия с односторонним штоком для перемещения механизма руки робота вверх-вниз (или вертикального перемещения инструментального магазина вертикально-фрезерного полуавтомата с ЧПУ). Усилие для подъема механизма руки робота вверх N₁ = 1500 Н. Длина хода поршня L = 270 мм. Скорость перемещения механизмов руки робота вверх V₁ = 0,25 м/с, а вниз - V₂ =0,35 м/с. Принятый гидроцилиндр двухстороннего действия с односторонним штоком установлен вертикально, корпус гидроцилиндра соединен жестко с основанием робота, а шток сообщен с подвижным механизмом руки робота.

Расчеты по выбору геометрических размеров гидроцилиндра и по выбору необходимого его типоразмера проводят в следующей последовательности.

2.2.1 Выбирают стандартный по ГОСТ 6540-68 [1] ход поршня из следующих значений (в миллиметрах): 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 56, 63, (70), 80, (90), 100, (110), 125, (140), 160, (180), 200,(220), 250, (280), 320, (360), 400, (450), 500, (560), 630, 710, 800,(900), 1000, (1120), 1250, (1400), 1600, (1800), 2000, (2240), 2500, 2800, (3000), 3150, (3350), (3550), (3750), 4000, (4250), (4500), 5000, (5300), (5600), (6000), 6300, (6700), (7100), (7500) 8000,8500, (9000), (9500). В скобках приведены значения дополнительного ряда чисел, которые выбирают во вторую очередь. Для рассматриваемого примера определяем, что стандартная длина хода поршня L = 320 мм.

2.2.2 Вычисляют приведенную длину хода поршня по формуле

, (13)

где K_ЗАК - коэффициент, характеризующий способ закрепления гидроцилиндра на станке или роботе. Значение этого коэффициента выбирают по [1] и находится оно в пределах от 0,5 до 2,0. Принимаем, что корпус гидроцилиндра жестко закреплен к основанию робота, а шток перемещает деталь по вертикальной направляющей, тогда K_ЗАК = 0,7 и

мм.

2.2.3 Определяют эффективную силу, Н, действующую на шток гидроцилиндра по формуле [1] :

, (14)

где K_ТР - коэффициент, учитывающий потери на трение в гидроцилиндре, (пневмоцилиндре), который выбирают по таблице 3 в зависимости от значения полезной силы.

Таблица 3-Значения коэффициента трения в гидроцилиндрах [1]

N1, Н	до 600	600-6000	6000-25000	25000-60000
KТР	0,50-0,20	0,20-0,12	0,12-0,08	0,08-0,05

Для полезной силы, прикладываемой к штоку гидроцилиндра, равной (согласно примеру) 1500 Н, коэффициент трения K_ТР = (0,12-0,20). Принимаем, что K_ТР = 0,18.

N₂ - сила, расходуемая на перемещение массы поршня, штока и одной третьей части массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах, Н. (При перемещении поршня вверх эта сила суммируется с силой N₁, а при перемещении вниз - вычитается). Принимаем, что N₂ = 400 Н. (Значение N₂ =400 Н, как и силу N₁ = 1500 H определяют по заданию, приведенному в конце этого методического указания).

N_ИН - сила инерции движущихся частей гидроцилиндра и соединенных с ним массы деталей и рабочей жидкости, Н, которую определяют по формуле

, (15)

где m_И - приведенная масса подвижных частей гидроцилиндра, присоединенных к нему устройств и одной третьей части массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах (ориентировочно принимают, что m_И = 0,1 N₂, кг; для рассматриваемого примера кг);

a - ускорение перемещения подвижных частей гидроцилиндра и приведенной к нему массы, которое принимает два значения: а₁ - при перемещении штока в одном направлении (например, вверх) и а₂ - при перемещении штока в другом направлении и вычисляют по формулам:

, (16)

где V₁ и V₂ - скорость перемещения штока в одном и в другом направлениях, м/с.

По условию (заданию) V₁ = 0,25 м/с и V₂ = 0,35 м/с. При L_СТ= 320 мм получаем, что м/с² и м/с²,

Н; Н.

N_ПР - сила сопротивления пружины гидроцилиндра, Н, которую определяют по формуле

N_ПР= R₀ + C_ПР L_СТ , H, (17)

где R₀ - предварительное натяжение пружины, Н;

C_ПР - жесткость пружины, Н/мм;

L_СТ - ход штока гидроцилиндра, мм;

N_СЛ - сила, возникающая от давления рабочей жидкости в сливной полости при перемещении поршня гидроцилиндра, Н, и вычисляется по формуле

N_СЛ = P_СЛ F_СЛ, (18)

где P_СЛ - давление рабочей жидкости в сливной магистрали, МПа;

F_СЛ - площадь поршня гидроцилиндра, на которую действует давление рабочей жидкости P_СЛ, м².

Принимаем, что N_ПР = 0 и N_СЛ =0, тогда эффективная сила, создаваемая гидроцилиндром для перемещения механизма руки робота вверх

N_ЭФ = 1/(1-0,18) (1500 + 400 - 15,64) = 2298,0 Н.

2.2.4 Вычисляют диаметр поршня гидроцилиндра с односторонним штоком по формуле

, (19)

где N_ЭФ - эффективная сила, действующая на шток гидроцилиндра, Н;

Р₁ - давление рабочей жидкости в системе автоматизации и управления станка или робота, Па. Это давление рабочей жидкости вычисляют или принимают по ГОСТ 6540-68 из следующего ряда давлений: 2,5; 6,3; 10; 16; 20; 25;32; 40; 50; 63 МПа.

Принимаем, что P = МПа = Па, тогда

=0,0342 м=34,2 мм.

2.2.5 Выбирают диаметр поршня гидроцилиндра из ряда цилиндрических пар согласно ГОСТ 12447-80, которые имеют следующие значения: 1; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; (14); 16; (18); 20; (22); 25; (28); 32; (36); 40; (45); 50; (56); 63; (70); 80; (90); 100; (110); 125; (140); 160; (180); 200; (220); 250; (280); 320; (360); 400; (450); 500; (560); 630; (710); 800; (900); 1000 мм.

Для рассматриваемого примера определяем, что D = 40 мм, то есть внутренний диаметр гильзы и диаметр поршня гидроцилиндра равны 40 мм.

2.2.6 Проверяется соответствие между диаметром поршня гидроцилиндра и длиной хода поршня из условия устойчивости по таблице 4.

Таблица 4 - Рекомендуемые соотношения между длиной хода и диаметром поршня гидроцилиндра [2]

D, мм	Ход штока гидроцилиндра, LСТ, мм
	200	400	600	800	1000	1250	1600	2000
45
56				Область неустойчивого движения
63
80
90			Переходная область
110
125
160	Область устойчивого движения
180
200
250

Диаметр поршня гидроцилиндра D = 40 мм и ход поршня L_СТ= 320 мм не укладываются в область устойчивого движения по таблице 4, поэтому необходимо в проектируемой системе автоматизации и управления станка (робота) предусмотреть дополнительную направляющую для увеличения устойчивости гидроцилиндра и всего подвижного устройства привода.

2.2.7 Вычисляется диаметр штока гидроцилиндра по приближенной формуле

. (20)

Для рассматриваемого примера мм. Диаметр штока гидроцилиндра можно также определить по графикам [2] в зависимости от приведенной длины штока L_ЭФ и эффективной силы N_ЭФ.

2.2.8 По выбранным геометрическим размерам гидроцилиндра, а именно: по диаметру поршня D, диаметру штока d^`_Ш, ходу поршня L_ЭФ по таблицам 5 и 6 (по таблицам 3.1 - 3.4 из работы [2]) определяют необходимый типоразмер гидроцилиндра, например, ЦРГ 32 - 40 х 20 х 320 УХЛ4.

Гидроцилиндры типа ЦРГ выпускаются промышленностью применительно к станкам и роботам в соответствии с данными, приведенными в таблицах 5 и 6

Таблица 5 – Типы гидроцилиндров

Гидроцилиндры типа ЦРГ

1 ЦРГ 25 х 12 х s

2 ЦРГ 32 х 16 х s

3 ЦРГ 36 х 18 х s

4 ЦРГ 40 х 20 х s

5 ЦРГ 45 х 22 х s

6 ЦРГ 50 х 25 х s

7 ЦРГ 63 х 32 х s

Это обозначение гидроцилиндра расшифровывается следующим образом. ЦРГ - цилиндр гидравлический. Первая цифра после ЦРГ означает исполнение по виду крепления гидроцилиндра к основанию робота ( или другого механизма), а именно: 1 - хомутом, 2 -на цапфах, 3 - на проушине.

Вторая цифра обозначает исполнение гидроцилиндра по способу торможения: 1 – без торможения, 2 - с нерегулируемым торможением в конце хода в обе стороны, 3 - с регулируемым торможением в конце хода в обе стороны, 4 – с торможением в конце хода только при выдвижении штока.

Таблица 6 – Типоразмеры гидроцилиндров типа ЦРГ

Параметр	Типоразмер (диаметр цилиндра х диаметр штока, мм)
	25 х 12	32 х 16	36х 18	40х 20	45х 22	50х 25	63х 32
Ход поршня, s	100 250 500 630 800	200 400 500 630 -	250 500 800 - -	100 320 630 1000 1200	400 630 800 1000 1200	800 1000 - - -
Масса, кг	1,85+ 0,005s	3,3+ 0,007s	4,0+ 0,008s	4,6+ 0,009s	5,7+ 0,010s	7,3+ 0,012s	11,2+ 0,016s

Примечания к таблице 6:

- давление, МПа: номинальное - 16, максимальное - 20;

- скорость поршня цилиндра – до 1,5 м/с;

- полный КПД – не менее 0,95.

Три группы цифр соединенных знаком умножения означают соответственно диаметр поршня, диаметр штока гидроцилиндра и ход штока в миллиметрах. После трех групп цифр в обозначении гидроцилиндра указывают климатическое исполнение: У - для умеренного климата, ХЛ - холодного климата (если вместо УХЛ стоит буква О, то этот гидроцилиндр имеет общеклиматическое исполнение, включая и тропический климат). Цифра после УХЛ означает категорию месторасположения оборудования, например, 4 - в закрытых отапливаемых производственных помещениях.

2.2.9 Определяют расход рабочей жидкости, необходимый для обеспечения перемещения штока гидроцилиндра с заданной скоростью, по формуле [1]

, (21)

где V₁ - скорость движения штока гидроцилиндра, м/с, V₁= 0,25 м/с;

_ОБ.ГЦ - объемный кпд гидроцилиндра, который принимается равным 0,99;

D - диаметр поршня гидроцилиндра, м.

Для выбранных значений геометрических размеров гидроцилиндра расход рабочей жидкости (для его нормальной работы) должен быть не менее

м³/с=

дм³/с л/с л/мин.

По полученному значению расхода рабочей жидкости выбирают необходимый тип гидронасоса. Например, по таблице 1 выбираем гидронасос типа Г 12-33 АМ с номинальной подачей рабочей жидкости Q_Н =27,9 л/мин.

2.2.10 Определяются максимальные значения скоростей перемещения поршня гидроцилиндра вверх V_1МАХ и вниз V_2МАХ по формулам:

, (22)

где Q_Н - подача рабочей жидкости выбранным гидронасосом, л/мин;

_Н - объемный кпд гидронасоса, значение которого определяют по таблице 1 (для выбранного типа гидронасоса _Н = 0,91).

После подстановки численных значений определяем, что:

м/с;

м/с.

Так как V_1МАХ = 0,33 м/с> V₁ = 0,25 м/с и V_2МАХ = 0,44 м/с> V₂ =0,35 м/с, то расчет заканчивают. Если эти неравенства не выполняются, тогда подбирают гидронасос с большей номинальной подачей рабочей жидкости. Снижение (регулирование) скоростей V_1МАХ и V_2МАХ до значений V₁ и V₂ осуществляют с помощью дросселей, установленных на линиях подвода рабочей жидкости к гидроцилиндру.