Проектирование привода стрелы

Проектирование привода стрелы

Задание

Привод стрелы

Выбрать насос с электродвигателем, распределитель и предохранительный клапан из серийного ряда, рассчитать необходимые коэффициенты, разработать нелинейную математическую модель с учётом насыщения, составить структурную схему привода, построить переходный процесс и частотную характеристику привода, определить время полного переброса нагрузки, начертить гидравлическую схему привода со спецификацией, структурную схему, графики переходного процесса по положению и скорости и частотные характеристики привода.

Параметры гидроцилиндра: Ш = 140/100 мм h = 1600 мм;

Нагрузка на гидроцилиндре: m = 1100 кг;

Расход рабочей жидкости: Q = 120 л/мин;

Рабочее давление: Р = 25 МПа.

1. Выбор структурной схемы привода

В зависимости от требований, связанных с эксплуатацией машины, в гидроприводе могут применяться объемное и дроссельное регулирование скорости или сочетание этих способов [1]. Объемное регулирование скорости осуществляется изменением подачи насоса или гидромотора в зависимости от рабочего объема, который изменяется автоматически или с помощью управляющих устройств. При дроссельном регулировании изменяются размеры проходных сечений дросселей или неполным включением золотников гидрораспределителя.

Объемное регулирование обычно применяют, когда существенными являются энергетические показатели, например, в ГП большой мощности и с длительными режимами их непрерывной работы. ГП с дроссельным регулированием применяют для маломощных систем (до 5 кВт), а также, когда режимы непрерывной работы ГП кратковременные. При этом стремятся применить недорогие гидромашины, например шестеренные.

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.

Клапаны выбираются по номинальному расходу и давлению (1; 2,5; 6,3; 10; 20 и 32 МПа).

Гидрораспределители относятся к направляющей или регулирующей гидроаппаратуре и применяются для изменения направления или пуска и остановки потока рабочей жидкости, а также для управления скоростью гидродвигателя.

Число позиций распределителя определяется по числу операций, которые он должен обеспечить. Если, например, требуется обеспечить движение выходного звена гидродвигателя в двух направлениях, то распределитель должен быть двухпозиционным. Кроме того, если требуется обеспечить остановку выходного звена и разгрузку насоса - то он должен быть трехпозиционным.

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.

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.

Итак, учитывая вышесказанное и значение мощности гидропривода:

,                                                     (1)=  кВт.

Он будет иметь объёмно-дроссельное регулирование, и состоять из следующих основных элементов (см. рис.1).

Рис.1. Гидравлическая схема привода.

ЭД - приводной электродвигатель; Н - насос; Ц - гидроцилиндр;

КП - клапан переливной; Р - гидрораспределитель;

ДР1, ДР2 - дроссели с обратным клапаном;

Ф - фильтр; Б - бак; трубопроводы.

1.1 Выбор гидроцилиндра

По заданным параметрам выбираем гидроцилиндр ЦГ 140/100*1600

Основные параметры:

-      Диаметр поршня, мм                                                    140;

-       Диаметр штока, мм                                            100;

-       Ход поршня, мм                                       1600;

-       Рабочее давление, МПА                                              25;

-       Расход рабочей жидкости, л/мин                                120;

-       Нагрузка на гидроцилиндре, кг                                  1100;

-       Давление страгивания, МПа                                       0,25.

2. Выбор конструктивных элементов гидропривода

.1 Выбор насоса

.1.1 Расчет давления на выходе из насоса

Р_н^рас = Р_гц + ΔР_зол + ΔР_l,                             (2)

где: Р_гц - рабочее давление в гидроцилиндре, Р_гц=25 МПа (по заданию); ΔР_зол - потери давления в распределители; ΔР_l - потери давления в трубопроводе.

Определим диаметр трубопровода

_тр = (66,7·Q_н / π·[V_ж])^1/2,                             (3)

где V_ж - скорость течения жидкости в трубопроводе, V_ж=2,5 м/с.

_тр = (66,7·120 / 3,14·2,5)^1/2=31,9 мм                              _тр = 32 мм                              

ΔР_зол = 0,15 МПа [1]

ΔР_l = 7,85·(L·Q_н² / d⁵)   ,                                     (4)

где L - длина трубопровода, L = 10 м.

ΔР_l = 7,85·(10·120² / 32⁵) = 0,03 МПа                                   

Р_н ^рас = 25 + 0,15 + 0,03 = 25,18 МПа                                   

2.1.2 Расчет требуемой подачи насоса

_н^рас = Q_гц + ΔQ_гц + ΔQ_зол + ΔQ_пк,                        (5)

где: Q_гц - рабочий расход в гидроцилиндре, Q_гц = 20 л/мин; ΔQ_гц - утечки в гидроцилиндре; ΔQ_зол - утечки в распределителе; ΔQ_пк - утечки в предохранительном клапане.

ΔQ_гц = ΔQ^*_гц ·Р_гц / Р^*_гц,                                       (6)

где ΔQ^*_гц - утечки в гидроцилиндре, рассчитанные для давления

Р^*_гц = 5 МПа, ΔQ^*_гц = 102 см³/мин.

ΔQ_гц = 102·25·10⁶ / 5·10⁶ = 510 см³/мин

ΔQ_зол = ΔQ^*_зол·Р_зол / Р^*_зол,                                   (7)

где ΔQ^*_зол - утечки в распределителе, рассчитанные для давления.

Р^*_зол = 5 МПа, ΔQ^*_зол = 300 см³/мин.

ΔQ_зол = 300·25·10⁶ / 5·10⁶ = 1500 см³/мин

ΔQ_пк = 0,1·Q_н                                                      (8)_н ^рас = (120 + (510 + 1500)·10^-3) / 0,9 = 134,5 л/мин                  

2.1.3 Выбор насоса по рассчитанным параметрам

Исходя из условий Р_н ≥ Р_н ^рас                    Q_н ≥ Q_н ^рас , выбираем насос.

Данным условиям соответствует аксиально-поршневой регулируемый насос 313.160.

Основные параметры:

-    Номинальный рабочий объем, см³                                160;

-       Номинальная подача, л/мин                                        182;

-       Номинальное давление, МПа                                      20;

-       Максимальная частота вращения, об/мин                           2650;

-       Минимальная частота вращения, об/мин                   400;

-       Полный КПД, %                                                          90.

2.2 Выбор электродвигателя

2.2.1 Минимальная частота вращения вала электродвигателя

_эд.min = n_н.min = 400 об/мин.                        

2.2.2 Максимальная частота вращения вала электродвигателя

_эд.max = n_н.max = 2650 об/мин.            

2.2.3 Расчет требуемой мощности электродвигателя

_эд ^рас = N_н / (η_м·η_н),                                     (9)

где N_н - мощность насоса; η_м - КПД муфты, η_м = 0,98; η_н - КПД насоса, η_н = 0,9.

_н = Р_н ^рас ·Q_н,                                             (10)_н = 25,18·10⁶·3,03·10^-3 = 76 кВт_эд ^рас = 76·10³ / (0,98·0,9) = 86 кВт    

2.2.4 Выбор электродвигателя по рассчитанным параметрам

Исходя из условий N_эд ≥ N_эд ^рас                         n_эд.min < n_эд < n_эд.max , выбираем электродвигатель.

Данным условиям соответствует асинхронный двигатель 4Ф280М6У3:

Мощность элегтродвигателя N_эд = 86 кВт;

-    Номинальная частота вращения вала электродвигателя n_эд = 1000 об/мин.

2.3 Выбор предохранительного клапана

Предохранительный клапан выбираем по номинальному расходу и давлению:

Р_кл.ном ≥ Р_н     Q_кл.ном ≥ Q_н - Q_н ^рас

Данным условиям соответствует предохранительный клапан У462.8.5.0:

-    Номинальный расход Q_кл.ном = 63 л/мин;

-       Номинальное давление на входе Р_кл.ном = 20 МПа.

2.4 Выбор гидрораспределителя

Распределитель выбираем по номинальному расходу и давлению:

Р_{рас.ном} ≥ Р_н   Q_{рас.ном} ≥ Q_н ^рас  

Данным условиям соответствует распределитель типа МКРН.306.150.088:

-    Номинальный расход Q_{рас.ном} = 135 л / мин;

-       Номинальное давление на входе Р_{рас.ном} = 32 МПа;

-       Диаметр условного прохода D_у = 32 мм.

3. Нелинейная математическая модель гидропривода

Структурная схема нелинейной математической моделиданного гидропривода, построенная в программе MatLab-Simulink, приведена в приложении 1.

3.1 Нюансы построения модели

В системе Simulink нежелательно использовать очень малые значения параметров блоков. Поэтому, для исключения ошибок счета, в некоторых частях схемы будем заменять единицы измерения (путем введения поправочных коэффициентов), т.е.:

-       60с = 1 мин;

-       1 м³/с = 6·10⁷ см³/мин;

-       1кгс = 9,81 Н.

3.2 Описание звеньев нелинейной математической модели

.2.1 Входной ступенчатый сигнал

Параметры входного ступенчатого сигнала в программе Simulink будут иметь следующие значения

-       Step time: 0;

-       Initial value: 0;

-       Final value: 1;

-       Sample time: 0.

3.2.2 Звено, описывающее распределитель

Для данного распределителя с D_у = 32 мм:

-       Кр = 2;

-       Тр = 30 мс;

-       ζ = 0,8.

3.2.3 Коэффициент усиления К1

На вход данного звена подается значение перемещения золотника распределителя, на входе имеем теоретический расход.

К1 = К_ед.1·К_Qx,                                  (11)

где: К_ед.1 = 100 - коэффициент, учитывающий смену единиц измерения;

К_Qx = Q_max / x_max,                               (12)

где: Q_max - максимальный расход, проходящий через распределитель, Q_max = 135 л / мин; x_max - максимальное перемещение золотника, x_max = 0,8 см.

К_Qx = 135·10³ / 0,8 = 169·10³   см² / мин            

К1 = 100·169·10³ = 16,9*10⁶ см³ / (мин·м)                  

3.2.4 Звено учитывающее нелинейность типа «насыщение по расходу»

На входе данного звена - теоретический расход, на выходе - реальный расход.

Параметры данного звена в программе Simulink будут иметь следующие значения:

- Upper limit: 13,45·10⁴ (Q_max=Q_н ^рас )

Lower limit: -13,45·10⁴ (Q_min=-Q_н ^рас)

3.2.5 Звено, учитывающее сжимаемость рабочей жидкости

На входе в данное звено - «расход сжимаемости», на выходе - давление в поршневой полости гидроцилиндра.

Здесь V_ц - объём гидроцилиндра

V_ц = (d_п²· /4) · h , (13)

где d_п - диаметр поршня гидроцилиндра, см (см. задание) h - ход поршня гидроцилиндра, см (см. задание)

_ц = (14²·3,14)/4·160 = 24630 см³

К_qp - коэффициент утечек,

К_qp = Q_зол / (р_н^рас - 0,5·р_l ) (14)

К_qp = 1500 / (251,8 - 0,5·0,3) = 5,96 см⁵ / (кгс·мин)     

.2.6 Звено, учитывающее нелинейность типа «насыщение по давлению»

На вход в данное звено - теоретическое давление, на выходе - реальное давление.

Параметры данного звена в программе Simulink будут иметь следующие значения:

- limit: 250 (p_max = p_гц)

limit: -250 (p_min = -p_гц)

3.2.7 Коэффициент усиления К2

На вход данного звена подается значение реального давления в поршневой полости гидроцилиндра, на выходе имеем силу, создаваемую этим давлением.

К2 = К_ед.2 · ·d_п²/4, (15)

где К_ед.2 = 9,81 - коэффициент, учитывающий смену единиц измерения

К2 = 9,81·3,14·14² / 4 = 1509,4 Н / кгс

3.2.8 Звено, описывающее механическую часть гидропривода

Здесь m - приведенная масса на гидроцилиндре (см. задание); f_в.тр. - коэффициент вязкого трения. f _в.тр. = 0,036·l_труб ··d_п⁴/ d_труб³ , (16)

где l_труб - длина напорной линии, примем l_труб = 1 м; d_труб - диаметр напорного трубопровода, примем

_труб = 0,032 м. f _в.тр = 0,036·1·3,14·0,14⁴ / 0,032³ = 1,325 кг / с.

3.2.9 Звено, учитывающее нелинейность типа «сухое трение»

На входе в данное звено - теоретическая сила трения, на выходе - реальная сила трения. Максимальное значение силы сухого трения определяется следующим образом:

Р_с.тр.max = р_страг · ·d_п²/4, (17)

где р_страг - давление страгивания, р_страг = 0,25 МПа Р_с.тр.max =

,25·10⁶·3,14·0,14² / 4 = 3846,5 Н

Параметры данного звена в программе Simulink будут иметь следующие значения:

-     Upper limit: 3846,5 (Р_с.тр.м = Р _с.тр.max^рас)

-        Lower limit: -3846,5 (Р_с.тр.м = -Р _с.тр.max^рас)

3.2.10 Коэффициент усиления К4

На вход данного звена подаётся значение скорости поршня гидроцилиндра, на выходе имеем силу сухого трения.

Для мгновенного срабатывания звена, описывающего сухое трение принимаем К4 = 1·10⁶ кг/с.

3.2.11 Коэффициент усиления К3

На вход данного звена подается значение скорости поршня гидроцилиндра, на выходе имеем геометрический расход в гидроцилиндре.

К3 = К_ед.3 ·  · d_п² / 4,                    (18)

где: К_ед.3 = 9,81 - коэффициент, учитывающий смену единиц измерения,

К3 = 9,81·3,14·14² / 4 = 1509,4 (см³·с) / (м·мин).

3.2.12 Интегрирующее звено

На вход данного звена подается значение скорости поршня гидроцилиндра, на выходе имеем перемещение поршня гидроцилиндра.

3.2.13.Звено, ограничивающее перемещение поршня гидроцилиндра

Параметры данного звена в программе Simulink будут иметь следующие значения:

-     Upper limit: 1,60 (x_max = h)

-        Lower limit: -1,60 (x_max = -h)

4. Моделирование гидропривода

4.1 Переходный процесс по перемещению

Время полного переброса нагрузки: t _{переброса} = 14,5с

4.2 Переходный процесс по скорости

Максимальная скорость поршня V_гц = 0,27 м/с

4.3 ЛАФЧХ

Анализ частотных характеристик показал, что система обладает большими запасами устойчивости

Заключение

В ходе курсовой работы выбрали насос с электродвигателем, составили структурную схему привода, начертили гидравлическую схему привода. Рассчитав и промоделировав гидропривод в системе Simulink, получили графики переходного процесса по положению и скорости и частотные характеристики привода.

Список использованой литературы

1. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1995. - 448 с.: ил.

2.       Свешников В.К. Гидрооборудование: Международный справочник. - М.: Машиностроение, 2001. - в 3-х т.

Приложение 1

привод гидроцилиндр насос клапан

Схема нелинейной математической модели ГП

1 - входной ступенчатый сигнал; 2 - звено, описывающее распределитель; 3, 8, 11 - коэффициенты усиления; 4 - нелинейность «насыщение по расходу»; 5,12 - сумматоры; 6 - звено, учитывающее сжимаемость рабочей жидкости; 7 - нелинейность «насыщение по давлению»; 9 - нелинейность «сухое трение»; 13 - звено, описывающее механическую часть ГП; 14 - интегрирующее звено; 15 - звено, ограничивающее перемещение поршня гидроцилиндра.