Проектирование привода стрелы

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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)

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

Рнрас = Ргц + ДРзол + ДРl, (2)

где: Ргц — рабочее давление в гидроцилиндре, Ргц=25 МПа (по заданию); ДРзол — потери давления в распределители; ДРl — потери давления в трубопроводе.

Определим диаметр трубопровода

dтр = (66,7·Qн / р·[Vж])½, (3)

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

dтр = (66,7·120 / 3,14·2,5)½=31,9 мм

dтр = 32 мм

ДРзол = 0,15 МПа [1]

ДРl = 7,85·(L·Qн2 / d5), (4)

где L — длина трубопровода, L = 10 м.

ДРl = 7,85·(10·1202 / 325) = 0,03 МПа

Рн рас = 25 + 0,15 + 0,03 = 25,18 МПа

2.1.2 Расчет требуемой подачи насоса

Qнрас = Qгц + ДQгц + ДQзол + ДQпк, (5)

где: Qгц — рабочий расход в гидроцилиндре, Qгц = 20 л/мин; ДQгц — утечки в гидроцилиндре; ДQзол — утечки в распределителе; ДQпк — утечки в предохранительном клапане.

ДQгц = ДQ*гц ·Ргц / Р*гц, (6)

где ДQ*гц — утечки в гидроцилиндре, рассчитанные для давления

Р*гц = 5 МПа, ДQ*гц = 102 см3/мин.

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

ДQзол = ДQ*зол·Рзол / Р*зол, (7)

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

Р*зол = 5 МПа, ДQ*зол = 300 см3/мин.

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

ДQпк = 0,1·Qн (8)

Qн рас = (120 + (510 + 1500)·10-3) / 0,9 = 134,5 л/мин

2.1.3 Выбор насоса по рассчитанным параметрам

Исходя из условий Рн? Рн рас Qн? Qн 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

nэд. min = nн. min = 400 об/мин.

2.2.2 Максимальная частота вращения вала электродвигателя

nэд. max = nн. max = 2650 об/мин.

2.2.3 Расчет требуемой мощности электродвигателя

Nэд рас = Nн / (зм·зн), (9)

где Nн — мощность насоса; зм — КПД муфты, зм = 0,98; зн — КПД насоса, зн = 0,9.

Nн = Рн рас ·Qн, (10)

Nн = 25,18·106·3,03·10-3 = 76 кВт

Nэд рас = 76·103 / (0,98·0,9) = 86 кВт

2.2.4 Выбор электродвигателя по рассчитанным параметрам

Исходя из условий Nэд? Nэд рас nэд. min < nэд < nэд. max, выбираем электродвигатель.

Данным условиям соответствует асинхронный двигатель 4Ф280М6У3:

Мощность элегтродвигателя Nэд = 86 кВт;

— Номинальная частота вращения вала электродвигателя nэд = 1000 об/мин.

2.3 Выбор предохранительного клапана

Предохранительный клапан выбираем по номинальному расходу и давлению:

Ркл. ном? Рн Qкл. ном? Qн — Qн рас

Данным условиям соответствует предохранительный клапан У462.8.5. 0:

— Номинальный расход Qкл. ном = 63 л/мин;

— Номинальное давление на входе Ркл. ном = 20 МПа.

2.4 Выбор гидрораспределителя

Распределитель выбираем по номинальному расходу и давлению:

Ррас. ном? Рн Qрас. ном? Qн рас

Данным условиям соответствует распределитель типа МКРН. 306. 150. 088:

— Номинальный расход Qрас. ном = 135 л / мин;

— Номинальное давление на входе Ррас. ном = 32 МПа;

— Диаметр условного прохода Dу = 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 Dу = 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 = Кед. 1·КQx, (11)

где: Кед. 1 = 100 — коэффициент, учитывающий смену единиц измерения;

КQx = Qmax / xmax, (12)

где: Qmax — максимальный расход, проходящий через распределитель, Qmax = 135 л / мин; xmax — максимальное перемещение золотника, xmax = 0,8 см.

КQx = 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 (Qmax=Qн рас)

— Lower limit: -13,45·104 (Qmin=-Qн рас)

3.2.5 Звено, учитывающее сжимаемость рабочей жидкости

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

Здесь Vц — объём гидроцилиндра

Vц = (dп2· /4) · h, (13)

где dп — диаметр поршня гидроцилиндра, см (см. задание) h — ход поршня гидроцилиндра, см (см. задание)

Vц = (142·3,14)/4·160 = 24 630 см3

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

— Кqp — коэффициент утечек,

Кqp = Qзол / (рнрас — 0,5·рl) (14)

Кqp = 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 (pmax = pгц)

— limit: -250 (pmin = -pгц)

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 = Кед. 2 · ·dп2/4, (15)

где Кед. 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); fв. тр.  — коэффициент вязкого трения. f в. тр. = 0,036·lтруб ··dп4/ dтруб3, (16)

где lтруб — длина напорной линии, примем lтруб = 1 м; dтруб — диаметр напорного трубопровода, примем

dтруб = 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:

Рс. тр. max = рстраг · ·dп2/4, (17)

где рстраг — давление страгивания, рстраг = 0,25 МПа Рс. 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 (Рс. тр. м = Р с. тр. maxрас)

— Lower limit: -3846,5 (Рс. тр. м = -Р с. тр. maxрас)

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 = Кед. 3 · · dп2 / 4, (18)

где: Кед. 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 (xmax = h)

— Lower limit: -1,60 (xmax = -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 Vгц = 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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой