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. 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)

N = 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

2.1 Выбор насоса

2.1.1 Расчет давления на выходе из насоса

Р_н^рас = Р_гц + ДР_зол + ДР_l, (2)

где: Р_гц — рабочее давление в гидроцилиндре, Р_гц=25 МПа (по заданию); ДР_зол — потери давления в распределители; ДР_l — потери давления в трубопроводе.

Определим диаметр трубопровода

d_тр = (66,7· Q_н / р· [V_ж])^½, (3)

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

d_тр = (66,7· 120 / 3,14· 2,5)^½=31,9 мм

d_тр = 32 мм

ДР_зол = 0,15 МПа [1]

ДР_l = 7,85· (L·Q_н² / d⁵), (4)

где L — длина трубопровода, L = 10 м.

ДР_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

Q_н^рас = Q_гц + ДQ_гц + ДQ_зол + ДQ_пк, (5)

где: Q_гц — рабочий расход в гидроцилиндре, Q_гц = 20 л/мин; ДQ_гц — утечки в гидроцилиндре; ДQ_зол — утечки в распределителе; ДQ_пк — утечки в предохранительном клапане.

ДQ_гц = ДQ^*_гц · Р_гц / Р^*_гц, (6)

где ДQ^*_гц — утечки в гидроцилиндре, рассчитанные для давления

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

ДQ_гц = 102· 25·10⁶ / 5· 10⁶ = 510 см³/мин ДQ_зол = ДQ^*_зол· Р_зол / Р^*_зол, (7)

где ДQ^*_зол — утечки в распределителе, рассчитанные для давления.

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

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

ДQ_пк = 0,1· Q_н (8)

Q_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;

— Номинальная частота вращения, об/мин 1200;

— 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

n_эд.min = n_н.min = 400 об/мин.

2.2.2 Максимальная частота вращения вала электродвигателя

n_эд.max = n_н.max = 2650 об/мин.

2.2.3 Расчет требуемой мощности электродвигателя

N_эд ^рас = N_н / (з_м· з_н), (9)

где N_н — мощность насоса; з_м — КПД муфты, з_м = 0,98; з_н — КПД насоса, з_н = 0,9.

N_н = Р_н ^рас · Q_н, (10)

N_н = 25,18· 10⁶·3,03·10^-3 = 76 кВт

N_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

3.2.1 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;

— ж = 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)

V_ц = (14²· 3,14)/4·160 = 24 630 см³

— Е — модуль упругости, Е=14*10^-5 см² / кг

— 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)

3.2.6 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

d_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 =

0,25· 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.