Проектирование схемы гидропривода поступательного движения пресса

Гидроклапаны относятся к регулирующей гидроаппаратуре и служат для изменения давления, расхода и направления потока рабочей жидкости путем частичного открытия рабочего проходного сечения. Предохранительные клапаны предохраняют систему от давления, превышающего установленное значение. Они действуют лишь при аварийных ситуациях (пропускают масло из напорной линии в сливную) в отличие от переливных клапанов, предназначенных для поддержания заданного давления путем непрерывного слива масла во время работы.

Напорный клапан типа Г54-3 может применяться в случае, когда требуется предохранить систему от чрезмерного давления, а также в качестве переливного. Напорный (предохранительный) клапан регулируется на максимально допустимое давление, а переливной - на рабочее давление. Клапаны выбираются по номинальному расходу и давлению (1; 2,5; 6,3; 10; 20 и 32 МПа). Делители потока типа КД] в обычном исполнении предназначены для деления потока жидкости на две части с целью синхронизации движения исполнительных органов независимо от значения действующих на них нагрузок. Выбор делителей потока производится по расходу на входе в клапан.

1.3. Выбор фильтра и места его  установки

Применение гидрооборудования высокого класса точности, предъявляет повышенные требования к очистке гидросистем машин и чистоте рабочих жидкостей. Фильтр может эффективно защищать только тот элемент гидропривода, который установлен непосредственно после него, остальные элементы получают лишь частичную защиту. Поэтому в ГП применяют различные сочетания фильтров, установленных на разных линиях гидросистемы. Существует три способа установки фильтров в гидросистемах: во всасывающей, напорной или сливной магистралях. Для каждого способа установки промышленностью выпускаются специально предназначенные конструкции фильтров.

Приемные (всасывающие) фильтры, работающие, как правило, в режиме полнопоточной фильтрации, предотвращают попадание в насос сравнительно крупных частиц. Поскольку приемные фильтры ухудшают условия всасывания насосов, перепад давления на фильтроэлементе не должен превышать 0,018 - 0,02 МПа. Предпочтительно использование приемных фильтров типа ФВСМ с указателем загрязненности (тонкость фильтрации 80 мкм) Сливные фильтры позволяют обеспечить тонкую фильтрацию рабочей жидкости; они компактны, могут встраиваться в баки, однако в ряде случаев создают нежелательное повышение давления подпора в сливной линии. Установка фильтра в сливную линию применяется наиболее часто, т.к. в этом случае он не испытывает высокого давления, не создает дополнительного сопротивления на входе в насос. Это очень важно с точки зрения предупреждения возникновения в насосе кавитации. Установленный таким образом фильтр задерживает все механические примеси в рабочей жидкости, возвращающейся в бак. В сливных магистралях устанавливают фильтры типа ФС Напорные фильтры обеспечивают полнопоточную фильтрацию. Их применение целесообразно для защиты высокочувствительных к засорению элементов гидросистемы. Такие фильтры металлоемки, а также сравнительно дороги. В напорных гидролиниях устанавливают фильтры типа ФГМ32 [Ф10 фильтры напорные по ГОСТ 16026-80 и ГОСТ 21329-75.

Выбор фильтров необходимо производить по давлению, номинальному расходу рабочей жидкости и тонкости фильтрации.

1.4. Использование гидроаккумулятора

Гидравлические аккумуляторы используются в ГП для решения разнообразных задач. Чаще всего это накопление энергии при медленных движениях рабочих органов с тем, чтобы кратковременно получать достаточно большие потоки рабочей жидкости под давлением при ускоренных перемещениях. Это дает возможность существенно уменьшить номинальную подачу насоса и, следовательно, повысить КПД ГП. В зажимных механизмах применение аккумуляторов позволяет компенсировать утечки в гидросистеме и поддерживать необходимое давление зажима при включенном (или разгруженном) насосе, часто аккумуляторы используются для уменьшения пульсации давления или исключения пиков давления в переходных режимах.

Из трех типов аккумуляторов (грузовые, пружинные и пневмогидравлические) наибольшее применение имеют пневмогидравлические

1.5. Выбор рабочей жидкости

Рабочая жидкость для ГП подбирается исходя из конкретных условий его эксплуатации. Например, одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, автогрейдеры, стреловые самоходные краны, погрузчики, копровое оборудование эксплуатируются в течение всего года, а шнекороторные и плужные снегоочистители, снегопогрузчики, рыхлители мерзлого грунта предназначены для эксплуатации в осенне-зимний и преимущественно зимний период. Машины стройиндустрии, машины для разработки пород способом гидромеханизации и др. эксплуатируются при температуре воздуха не ниже 0 ºC. Температура внешней среды оказывает наибольшее влияние на надежность и работоспособность ГП.

Для обеспечения работоспособности ГП в районах с холодным климатом жидкость должна иметь температуру застывания на 10…15ºС ниже возможной рабочей температуры, вязкость при +50ºС - не менее 10 мм2/сек, при - 40ºС - не более 1500 мм2/сек, а также широкий температурный предел применения по условию прокачиваемости насосами различных типов. Лучшей принято считать такую рабочую жидкость, вязкость которой мало изменяется при изменении температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Определение основных  параметров гидроприводов поступательного  движения

 

Расчеты гидроприводов поступательного движения поясним применительно к схеме гидропривода, представленной на рис.2.

Рис.2.1 Схема гидропривода поступательного движения

Заданными величинами являются: 
- усилие R, приложенное к штоку поршня; 
- ход S поршня; 
- длины труб l1 и l2, с помощью которых соединяются все элементы привода; 
- время рабочего tР и обратного (холостого) tХ хода поршня; 
- рекомендуемый для использования в системе насос (регулируемы или нерегулируемый); 
- сорт масла, используемый в ГП; 
- допустимая температура масла ТМ и температура окружающей среды ТО.

Решение задачи необходимо начать с определения давлений в полостях силового цилиндра и выбора его диаметра. Обозначим полезные площади силового цилиндра через F1 и F2, а давления в этих полостях черезP1 и P2:

где D и d - диаметры силового цилиндра и штока поршня.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра, пренебрегая силами инерции:

P1 F1 = P2 F2 + R + T

где T - сила трения, приложенная к поршню.

Применительно к гидроприводу, представленному на рис.2, давление P1 в поршневой полости определится:

P1 = PH - ΔPзол 1 - ΔP1

а давление P2 в штоковой полости

P2 = ΔPзол 2 + ΔP2 + ΔPДР + ΔPФ

где PH - давление развиваемое насосом, МПа; 
ΔPзол 1 и ΔPзол 2 - перепады давлений на гидрораспределителе, МПа; 
P1 и P2 - перепады давлений в трубах l1 и l2, МПа; 
ΔPДР - перепад давления на дросселе, МПа; 
ΔPФ - перепад давления на фильтре, МПа.

Определим площади гидроцилиндра F1 и F2, используя соотношения

где υПР и υПХ -скорости поршня при рабочем и холостом ходе.

Преобразуем (2.4) к виду

Расход жидкости, поступающий в силовой цилиндр можно определить по формуле

Q = υ П · F

Если расход жидкости, поступающий в силовой цилиндр при рабочем и холостом ходе одинаков, то

Q = υ ПP · F1 и Q = υ ПX · F2

поэтому

Из этого следует, что:

откуда

Следовательно, выражение площади поршня в штоковой полости примет вид:

Подставляя выражения площадей F1 и F2 в (2.1), сможем определить диаметр поршня

или

Следовательно, для определения диаметра поршня цилиндра D нужно найти силу трения T и перепады давлений. Сила трения T увеличивается с ростом давления жидкости в цилиндре и лежит в диапазоне

T = (0.02...0.01)R

Для определения перепадов давлений воспользуемся справочными данными, приведенными в табл.2.1

Таблица 2.1

Справочные данные для определения перепадов давлений 
в гидроаппаратуре при номинальном расходе* 
(Здесь и далее параметры, обозначенные *, относятся к номинальным)

Гидроаппаратура	Перепад давлений, МПа	Гидроаппаратура	Перепад давлений, МПа
Золотник	0,2	Клапан редукционный	0,5
Обратный клапан	0,15	Гидроклапан давления	0,6
Дроссель	0,3	Напорные золотники	0,3
Регулятор потока (скорости)	0,3 (0,5)	Фильтр пластинчатый	0,1

Применительно к гидроприводу, представленному на рис.2, перепады давлений на золотнике, дросселе и фильтре примем следующим образом

ΔPзол 1 = ΔPзол 2 = 0,2 МПа; 
ΔPДР = 0,3 МПа; 
ΔPФ = 0,1 МПа.

Так как перепады давлений в трубах на первой стадии расчета определить нельзя, то примем предварительно ΔP1 = ΔP2 = 0,2 МПа.

Схемой гидропривода, представленной на рис.2.1, предусматривается нерегулируемый насос. В приложении 7 приведены таблицы с техническими характеристиками насосов и гидромоторов. Выбор насоса производим по номинальному давлению P* и подаче Q.

В зависимости от выбранного насоса, задавшись давлением PН , по формуле находим диаметр D силового цилиндра и в соответствии с ГОСТ 12447-80 округляем до ближайшего стандартного значения в большую сторону.

Стандартные диаметры цилиндров, мм: 5; 8; 10; 14; 16; 18; 20; 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; 500; 630; 800.

При R = 10…20 кН давление PН   1,6 МПа;  
при R = 20…30 кН - PН   3,2 МПа;  
при R = 30…50 кН - PН   6,3 МПа;  
при R = 50…100 кН - PН   10 МПа. 

Для штоков, работающих на сжатие, должно соблюдаться условие S < 10D. При S > 10D шток следует проверить на продольный изгиб. Величину заделки штока принимают равной диаметру D гидроцилиндра, а длину образующей поршня 0,8D.

а при   по формуле

Допускаемые напряжения на растяжение принимаются равными для стали [σ] = 50…60 МПа (1·106 Н/м2), для чугуна [σ] = 15 МПа (1·106 Н/ м2). Коэффициент запаса k = 1,25…2,5.

Далее определяется расход жидкости, поступающей в левую поршневую полость силового цилиндра,

где υПР - скорость перемещения поршня, м/с.

Подача насоса с учетом утечек рабочей жидкости определится по формуле:

QH = (QЦ + ΔQЦ )·z + ΔQзол + ΔQПК

где ΔQЦ - утечки жидкости в силовом цилиндре; 
ΔQзол - утечки в золотнике; 
ΔQПК - утечки через предохранительный клапан; 
z - число гидроцилиндров.

Утечки через предохранительный клапан примем ΔQПК = 0,1QН. Утечки в силовом цилиндре ΔQЦприведены в табл.2.2, в золотнике ΔQзол - в табл.2.3.

Таблица 2.2

Основные параметры гидроцилиндров

Основные параметры	Диаметр цилиндра D, мм
	40	50	63	70	80	90	100	110	125
Номинальный расход Q*, л/мин	20	25	40	50	50	50	80	100	100
Максимальное (теоретическое)  толкающее усилие, кН	7.75	12.0	18.8	23.7	31	39.2	48.5	58.6	75.8
Ход поршня до… , мм	200	200	200	300	400	630	630	630	800
Утечки ΔQЦ при давлении  P*=6,3 МПа, см3/мин	25	32	40	45	50	56	63	70	80

Таблица 2.3

Утечки жидкости в золотнике

Диаметр условного прохода, мм	8	10	12	16	20	32
Утечки ΔQзол при давлении P*=6,3 МПа, см3/мин	50	100	150	200	250	300

Если P1 отличается от P* , то действительные утечки жидкости в силовом цилиндре и в золотнике можно найти из выражений

Подставим полученные значения QЦ 1, QЦ, Qзол, QПК в уравнение (2.11) и найдем QН. Для подбора насоса обратимся к прил.7. Так как QН = qnη0, то рабочий объем насоса

где n - частота вращения ротора насоса; 
η0 - объемный КПД насоса.

В технических характеристиках насосов указаны номинальные значения объемного КПД η0* при номинальном давлении P*. Если PН отличается от P*, то действительный объемный КПД можно найти из выражения

Вычислив η0, находим согласно (2.12) рабочий объем q, и по нему подбираем насос. После этого уточняем расход жидкости, сбрасываемый через предохранительный клапан в приемный бак:

Таблица 2.4

Рекомендуемые значения скорости рабочей жидкости

PH, МПа	2,5	6,3	16	32	63	100
υРЖ, м/с	2	3,2	4	5	6,3	10

Имея в виду, что

где dТ - внутренний диаметр труб, получим

Найденное значение диаметра dТ округляем до ближайшего стандартного в большую строну согласно ГОСТ 16516-80 Стандартные значения внутреннего диаметра труб: 1; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250.

В гидроприводе применяются стальные бесшовные холоднодеформированные трубы по ГОСТ 8734-75, медные трубы по ГОСТ 617-72, алюминиевые трубы по ГОСТ 18475-82, латунные трубы по ГОСТ 494-76 и рукава высокого давления по ГОСТ 6286-73 [Технические характеристики жестких и эластичных трубопроводов, поворотных соединений трубопроводов подробно изложены в [Уточнив значение dТ, находим среднюю скорость движения жидкости в трубах: