Курсовая работа (т): Системы гидропневмопривода

Системы гидропневмопривода

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;

r - 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

 = 4RV/n, (1.2)

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

n - 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 :

. Величину расхода Q, поддерживаемого ограничителем расхода жидкости.

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

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

Коэффициенты расхода отверстия в поршне и окон в корпусе принять m = 0,6. Плотность рабочей жидкости . Суммарная площадь 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 = p/4.

Из уравнения равновесия поршня

,

где F = p/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 диаметром  и 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 диаметром D, 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 m 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 (r = 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 высотой S = 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 смещение X 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.

.2 Ламинарное движение жидкости в специальных технических системах

При выполнении различных технологических операций в технологии машиностроения, например, при электрохимической обработке деталей, в качестве рабочего тела используют разнообразные капельные жидкости, движущиеся в каналах сложной формы. Причем, течение в подобного рода трубопроводах и зазорах, как правило, устанавливается ламинарным, о чем свидетельствует величина числа Рейнольдса, подсчитываемая по уравнению (1.2).

Метод решения задач ламинарного движения заключается в составлении дифференциального уравнения движения элемента жидкости, преобразовании этого уравнения с помощью подстановки выражения закона жидкостного трения Ньютона и интегрировании его при заданных граничных условиях задачи.

1.2.1 Примеры решения типовых задач

В качестве примера рассмотрим случай ламинарного осевого течения жидкости под действием перепада давлений в кольцевом зазоре, образованном двумя соосно расположенными цилиндрическими поверхностями (рис. 6).

Рис. 6. Схема течения в кольцевом зазоре