Гидропривод и гидроавтоматика металлургических машин

Гидропривод и гидроавтоматика металлургических машин

Введение

Гидропривод - это совокупность источника энергии, устройств для преобразования и передачи этой энергии по средствам жидкости к рабочим органам машины.

Гидропривод можно разделить на две части - управляющую и силовую.

Силовая часть - это часть, реализующая энергетические процессы.

Управляющая часть - это часть, предназначенная для формирования, обработки и передачи информационных потоков.

Достоинства гидропривода:

компактность;

возможность бесступенчатого регулирования скорости, момента и силы;

возможность развить большое усилие при относительно малом объеме двигателя;

автоматическое реверсирование передач;

высокое быстродействие и надежное предохранение от перегрузок.

Недостатки гидропривода:

загрязнение рабочей жидкости;

утечки рабочей жидкости;

жесткие требования к изготовлению элементов гидропривода;

взрыво- и пожароопасность в случае применения жидкости на нефтяной основе.

При правильном конструировании, изготовлении и эксплуатации гидроприводов их недостатки могут быть сведены к минимуму.

Применение гидроприводов в технике позволяет упростить кинематику, снизить металлоемкость, повысить точность, надежность и уровень автоматизации.

Разработка гидравлической схемы. Описание работы гидравлической схемы

Из гидробака по линии всасывания через обратный клапан КО2 рабочая жидкость поступает в нерегулируемый насос Н. Из насоса Н по линии нагнетания через напорный фильтр Ф1, ¾-распределитель Р2 (включена правая позиция), гидрозамок ГЗ1 и через 2/2-распределитель Р1 (холостой ход, включена правая позиция) или регулятор потока РП1 (рабочий ход) рабочая жидкость поступает в поршневую полость гидроцилиндра ГЦ1. Тем самым приводя в движение поршень. Шток выдвигается. В связи с этим нарастает давление в штоковой полости гидроцилиндра ГЦ1 и оттуда рабочая жидкость по линии слива через ¾-распределитель Р2 (включена правая позиция) и сливной фильтр Ф2 поступает в сливной бак.

Для фиксации положения штока гидроцилиндра ГЦ1 в определенном положении предусмотрен гидрозамок ГЗ1. Клапан предохранительный КП защищает систему от избыточного давления. Обратный клапан КО3 исключает слив жидкости из гидролинии при отсутствии подачи от насоса Н. Давление в линии нагнетания и сливной линии контролируется манометром М, подключенным через ¾-распределитель Р3. В линии нагнетания для аккумулирования накопления энергии рабочей жидкости под давлением служит гидроаккумулятор ГА, а 2/2-распределитель Р4 в свою очередь служит для разгрузки гидроаккумулятора от давления, на которое настроено реле давления РД4.

В насосной установке также предусмотрены фильтры Ф1-Ф3, очищающие рабочую жидкость и располагающиеся в линии всасывания, нагнетания и слива. Масло, сливающееся из гидросистемы, поступает в радиатор ТО для охлаждения. Байпасные клапаны КО1 и КО4 защищают от перегрузки гидроаппаратуру. Реле давления РД1-РД7 дополнительно контролируют давление в линии всасывания, нагнетания, слива и в гидроаппаратуре. Температура и уровень масла в баке контролируются датчиками ДТ и ДУ. для фильтрации жидкости в баке и вентиляции бака служит воздушный фильтр ФВ.

Расчет параметров гидроцилиндра

Внутренний диаметр D1 поршня гидроцилиндра рассчитывают по формуле:

= ;

где F - расчетная нагрузка, F = 8000 Н;

Р - расчетное давление, р = 3 МПа.

= = 58 (мм).

Найденное значение D1 округляется до ближайшего нормального, выбираемого из ряда по нормали. Принимаем D1 = 63 мм.

Диаметр штока D2 гидроцилиндра рассчитывают по формуле:

= (0,40,5) * D1,= 0,5 * 63 = 31,5 (мм)

Найденное значение D2 округляется до ближайшего нормального, выбираемого из ряда по нормали. Принимаем D2 = 32 мм.

Рис. 1 - Определение диаметров поршня и штока

Сила трения Т для резинотканевых уплотнителей из шевронных манжет поршня определяется по формуле:

Т1 =π * D1 *h *n *τ,

гдеh - высота манжеты, h = 5 мм;- число манжет, n = 4 шт;

τ - Напряжение силы трения, τ = 0,2 МПа.

Т1 = 3,14 * 63 * 5 * 4 * 0,2 =791 (Н).

Сила трения Т для резинотканевых уплотнителей из шевронных манжет штока определяется по формуле:

Т2 =π * D2 *h *n *τ,

гдеh - высота манжеты, h = 4 мм;- число манжет, n = 3 шт;

τ - Напряжение силы трения, τ = 0,2 МПа.

Т2 = 3,14 * 32 * 3 * 4 * 0,2 =241 (Н).

Рабочая площадь поршня S1 рассчитывается по формуле:

= ;=  = 3116 (мм2)

Рабочая площадь штока S2 рассчитывается по формуле:

= ;=  = 804 (мм2)

Давление жидкости в поршневой полости Р1 рассчитывают по формуле:

= ;

Рис. 2 - Силы, действующие на гидроцилиндр

Р2 =  = ,

где∆Р0зол и ∆Р0рег - потери давления соответственно в реверсивном золотнике и регулирующем гидроаппарате при номинальном расходе по паспортным данным этих аппаратов. ∆Р0зол = 0,2 МПа, ∆Р0рег = 0,2 МПа.

Т1и Т2 - силы трения соответственно в уплотнении поршня и штока;и S2 - рабочие площади соответственно поршня и штока.

Р2 = 0,2 + 0,2 = 0,4 МПа.

Р1 =  = 3,2 (МПа)

Толщину стенки поршня δ рассчитывают по формуле:

δ = ,

где  = 40 МПа - допустимое напряжение для высокосортного чугуна.

δ =  = 2,5 (мм).

Критическая нагрузка на шток гидроцилиндра Fкр рассчитывается по формуле:

кр = F * n,

гдеn - коэффициент запаса, n = 2.

кр = 8000 * 2 = 16000 (Н).

Длину продольного изгиба lпр рассчитывают по формуле:

пр = кпр * h,

гдекпр - коэффициент приведения зависит от конструкции крепления, кпр = 1.- длина гидроцилиндра при максимальном прогибе,

= l1 + 2l + l2,

гдеl1, l2 = 100200 мм;- длина хода, l = 360 мм.

Зная критическую силу можно определить момент инерции по формуле:

= ,

где Е - модуль упругости, Е = 2,1 * 1011 Па;

= = 687  (м4)

Диаметр штока рассчитывают по формуле:

=  ≤ D2,=  = 0,019 (м) = 19 (мм) ≤ 32 (мм).

Выбранный диаметр больше проверочного, значит удовлетворяет ранее принятому значению диаметра штока.

Определение расходов жидкости в гидросистеме

Расчетный расход жидкости Q подаваемый в гидроцилиндр, рассчитывают по формуле:

Qxx = ,

гдеηоб - объемный КПД гидроцилиндра, ηоб = 0,99;- скорость холостого хода, V = 4200 мм/мин.

хх =  = 13 (л/мин).

 = = ,

 = =  = (10 л/мин).

Qрx = ,

гдеv - скорость рабочего хода, V = 500 мм/мин.

рх =  = 1,6 (л/мин).

 = = ,

 = =  = 1,2 (л/мин).

 =,

 = = 17 (л/мин).

Полученные данные сведем в таблицу:

Определение проходных сечений трубопроводов

а) Диаметр трубопровода на линии нагнетания dн рассчитывается по формуле:

н = ,

гдеVн - регламентируемая скорость потока жидкости, Vн = 4 м/с;

н =  = 6,43 (мм).

Принимаем диаметр трубопровода на линии нагнетания dн = 8 мм.

б) На линии слива диаметр трубопровода dс рассчитывают по формуле:

с =

гдеVс - регламентируемая скорость потока жидкости, Vс = 2 м/с;

с =  = 8,98 (мм).

Принимаем диаметр трубопровода на линии слива dс = 10 мм.

в) На линии всасывания диаметр dв принимается равным dс, т. е. dв = 10 мм.

Для соединения гидрооборудования используются стальные бесшовные холоднодеформированные трубы по ГОСТ 8734-75.

Расчет на прочность гидролинии нагнетания

Перепад давления ∆Рдин в момент переключения золотника рассчитывают по формуле:

∆Рдин = ρ * с * V,

гдес - скорость распространения ударной волны, с = 1320 м/с;- скорость движения жидкости по трубопроводу, V = 4 м/с;

ρ - плотность жидкости (принимаем масло ИГП-30).

Выбираем рабочую жидкость из справочника:

∆Рдин = 885 * 1320 * 4 = 4,7 (МПа).

Максимальное давление Рмах в гидролинии нагнетания в период гидроудара рассчитывается по формуле:

Рмах = Р1 + ∆Рдин

Рмах = 3,2 + 4,7 = 7,9 (МПа).

Напряжение в стенке трубы σ рассчитывают по формуле:

σ = ≤ [σр],

гдеd - диаметр условного прохода, d = 8 мм;

δ - толщина стенки, δ = 2 мм;

[σр] - допустимое напряжение, [σр] = 100 МПа.

σ = = 15,8 (МПа) ≤ 100 (МПа).

Условие прочности выполнено.

Выбор гидроаппаратуры управления системой

Для выбора гидроаппаратуры воспользуемся принципиальной гидросхемой.

Линия всасывания:

Клапан обратный типа Г51-32= 32 л /мин.; Dу = 10 мм; ∆Р0 = 0,25 МПа.

Фильтр приемного типа ФВСМ - 32-80/0,25= 40 л /мин.; Dу = 32 мм; ∆Р0 = 0,007 МПа.

Линия нагнетания:

Клапан обратный типа Г51-31= 16 л /мин.; Dу = 8 мм; ∆Р0 = 0,25 МПа.

Фильтр напорный по ГОСТ 1602-80

Q0= 25 л /мин.; Dу = 12 мм; ∆Р0 = 0,09 МПа.

Распределитель золотниковый типа РХ10= 32 л /мин.; Dу = 10 мм; ∆Р0 = 0,05 МПа.

Распределитель золотниковый типа В10= 15 л /мин.; Dу = 10 мм; ∆Р0 = 0,06 МПа.

Гидрозамок односторонний типа 3КУ12/320= 40 л /мин.; Dу = 12 мм; ∆Р0 = 0,25 МПа.

Регулятор расход типа МПГ55-22= 25 л /мин.; Dу = 10 мм; ∆Р0 = 0,2 МПа.

Линия слива:

Клапан обратный типа Г51-32= 32 л /мин.; Dу = 10 мм; ∆Р0 = 0,25 МПа.

Фильтр сливной типа ФС = 25 л /мин.; Dу = 20 мм; ∆Р0 = 0,1 МПа.

Распределитель золотниковый типа РХ10= 32 л /мин.; Dу = 10 мм; ∆Р0 = 0,05 МПа.

Определение гидравлических потерь

Линия всасывания:

Режим течения жидкости рассчитывается по формуле:

Re = , ,

 =  = 0,17 м/с,

гдеν - кинематическая вязкость, ν = 30*10-6 мм2/с, (см. выбор рабочей жидкости из справочника, п.2.5.)

Re =  = 57 < 2300.

Следовательно, режим течения жидкости - ламинарный.

Гидравлические потери в гидролинии всасывания ∆Рвс рассчитывают по формуле:

∆Рвс = ∆ + ∆ + ∆

Потеря давления ∆ по длине гидролинии всасывания рассчитывают по формуле:

∆ =  *  * ,

где lвс - длина гидролинии всасывания, lвс = 1 м.

λ =  =  = 0,095

∆ = 0,095 *  *  = 0,017 (МПа).

Потери давления в местных сопротивлениях ∆ рассчитывают по формуле:

∆ = (0,20,3) * ∆, ∆ = 0,3 * 0,017 = 0,0051 (МПа).

Потеря давления в гидроаппаратуре:

∆ = ∆

∆ = ∆ * 2,

∆ =0,007 * 2 = 0,0004 (МПа).

∆Рвс = 0,017 + -0,0051 + 0,0004 = 0,0225 (МПа).

Линия нагнетания:

Режим течения жидкости рассчитывается по формуле:

Re = ,

,

 =  = 0,26 м/с,

гдеν - кинематическая вязкость, ν = 30*10-6 мм2/с.

=  = 86 < 2300.

Следовательно, режим течения жидкости - ламинарный.

Гидравлические потери в гидролинии нагнетангия ∆Рн рассчитывают по формуле:

∆Рн = ∆ + ∆ + ∆

Потеря давления ∆ по длине гидролинии нагнетания рассчитывают по формуле:

∆ =  *  * ,

λ =  =  = 0,006

∆ = 0,006 *  *  = 0,11 (МПа).

Потери давления в местных сопротивлениях ∆ рассчитывают по формуле:

∆ = (0,20,3) * ∆,

∆ = 0,2 * 0,11 = 0,022 (МПа).

Потеря давления в гидроаппаратуре:

∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆

∆ = ∆ * 2 = 0,25 * 2 = 0,17 (МПа).

∆ = ∆ * 2 = 0,09 * 2 = 0,02 (МПа).

∆ = ∆ * 2 = 0,05 * 2 = 0,008 (МПа).

∆ = ∆ * 2 = 0,25 * 2 = 0,03 (МПа).

∆ = ∆ * 2 = 0,06 * 2 = 0,05 (МПа).

∆ = 0,17 + 0,02 + 0,008 + 0,03 + 0,05 = 0,278 (МПа)

∆Рн = 0,11 + 0,022 + 0,278 = 0,41 (МПа).

Линия слива:

Режим течения жидкости рассчитывается по формуле:

Re = ,

,

 =  = 0,17 м/с,

гдеν - кинематическая вязкость, ν = 30*10-6 мм2/с.

=  = 57 < 2300.

Следовательно, режим течения жидкости - ламинарный.

Гидравлические потери в гидролинии слива ∆Рс рассчитывают по формуле:

∆Рс = ∆ + ∆ + ∆

Потеря давления ∆ по длине гидролинии слива рассчитывают по формуле:

∆ =  *  * ,

где lвс - длина гидролинии всасывания, lвс = 3 м.

λ =  =  = 0,095

∆ = 0,095 *  *  = 0,05 (МПа).

Потери давления в местных сопротивлениях ∆ рассчитывают по формуле:

∆ = (0,20,3) * ∆,

∆ = 0,2 * 0,05 = 0,01 (МПа).

Потеря давления в гидроаппаратуре:

∆ = ∆ + ∆ + ∆

∆ = ∆ * 2 = 0,1 * 2 = 0,016 (МПа).

∆ = ∆ * 2 = 0,25 * 2 = 0,02 (МПа).

∆ = ∆ * 2 = 0,05 * 2 = 0,004 (МПа).

∆ = 0,016 + 0,02 + 0,004 = 0,04 (МПа).

∆Рс = 0,05 + 0,01 + 0,04 = 0,1 (МПа).

Суммарные потери давления рассчитывают по формуле:

∆Р = ∆Рн + ∆Рвс + ∆Рс

∆Р = 0,0255 + 0,41 + 0,1 = 0,5355 (МПа).

Выбор типа насоса

Подачу насоса Qн рассчитывают по формуле:

н = Qхх + ∆Q,

Величину утечек ∆Q рассчитывают по формуле:

∆Q = kу * Р1 * n,

гдеkу - размерный коэффициент утечек,

у = 0,3 10-3 ;

Р1 - расчетное давление, Р1 = 3,2 МПа;- количество гидроцилиндров, n = 1.

∆Q = 0,3 10-3 * 3,2 * 1 = 0,96 10-3 (л/мин).н = 13 + 0,96 * 10-3 = 13,00096 (л/мин).

Рабочее давление насоса Рн рассчитывают по формуле:

Рн = Рман + Рвак

Манометрическое давление Рман рассчитывают по формуле:

Рман = Р1 + ∆Рн + ∆Рс

Рман = 3,2 + 0,41 + 0,1 = 3,71 (МПа)

Вакуум во всасывающей линии насоса Рвак рассчитывают по формуле:

Рвак = (ρ * g * zвс) * 10-6 + ∆Рвс,

гдеzвс - геометрическая высота всасывания, zвс = 0,5 м.

Рвак = (885 * 9,8 * 0,5) * 10-6 + 0,0225 = 0,03 (МПа)

Рн = 3,71 + 0,03 = 3,74 (МПа)

Эффективную мощность насоса Nн рассчитывают по формуле:

н = Рн * Qнн = 3,74 * 13,00096 * (1/60000) = 0,8 (кВт)

Выбираем насос пластинчатый нерегулируемый типа Г12-31АМ:

ном = 5,8 л/мин;

Рном = 6,3 МПа;ном = 1,04 кВт;

η = 0,76.

Мощность приводного двигателя к насосу рассчитываем по формуле:

д = д = = 1,4 кВт.

Расчет емкости гидробака

= 1,2 * (35) * Qном= 1,2 * 4 * 5,8 = 27,8 (л).

Принимаем гидробак объемом 30 литров.

Разработка электрогидравлической схемы

Электрогидравлическая схема предполагает наличие четырех реле давлений, трех концевых выключателей и двух датчиков: уровня и температуры. В третьем токопроводе установлен электромагнит У4 распределителя Р4. Применение контактов К1, К2, К3 соответствующих реле К1, К2, К3 обеспечиваются включение реле. Об отклонении контролируемых параметров узнаем визуально при активации сигнальных ламп. В схеме на первом токопроводе предусмотрена сигнальная лампа.

Описание работы схемы:

Холостой ход: изначально шток гидроцилиндра ГЦ1 находиться в задвинутом положении. В этом положение он включает датчик концевого выключателя S1. Концевой выключатель S1 подает сигнал на электромагнит У3 ¾-распределителя Р2. Переключается позиция ¾-распределителя Р2 в правое положение и рабочая жидкость из насоса Н подается через 2/2-распределитель Р1 в поршневую полость. Шток выдвигается со скоростью VХХ = 0,013 м3/с.

Рабочий ход: шток достигает датчика концевого выключателя S2, который в свою очередь включает электромагнит У1 2/2-распределителя Р1, позиция распределителя переключается в левое положение, которая закрывает проход рабочей жидкости. Рабочая жидкость проходит через регулятор расхода РП1, регулирующий скорость подачи жидкости, со скоростью VРХ = 0,0016 м3/с.

Быстрый отвод: шток достигает датчика концевого выключателя S3, который в свою очередь включает электромагнит У2 ¾-распределителя Р2 и снимает сигналы с электромагнитов У1 и У3 2/2-распределителя Р1. Переключается позиция 2/2-распределителя Р1 в правое положение, а на ¾-распределителе Р2 позиция переключается в левое положение. От насоса Н рабочая жидкость подается в штоковую полость. Шток задвигается со скоростью VБО = 0,017 м3/с.

Список используемой литературы

гидроцилиндр трубопровод насос

1.     Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы. Справочник. М. - Машиностроение, 1988.

2.      Басков С.Н., Иванов С.А., Точилкин В.В., Филатов А.М. Основы гидравлики и гидравлического оборудования. Учебное пособие. Магнитогорск, 2007.

.        Точилкин В.В., Филатов А.М. Основы гидравлики и гидропривода технологических машин. Магнитогорск, 2002.

.        Александров М.П., Решетов Д.Н. Подъемно-транспортные машины. Атлас конструкций. М., Машиностроение, 1987.