47667

Элементы и системы автоматизированного пневмогидропривода

Книга

Производство и промышленные технологии

В качестве задания даны основные схемы пневматических и гидравлических линейных и поворотных модулей приводов. Представлены инженерные методики расчета конструктивных и динамических параметров привода. Представлена методика построения пневматической системы управления. Приведены основные необходимые для расчетов справочные данные.

Русский

2013-12-13

3.55 MB

33 чел.

PAGE  30

Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный

технический университет

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению курсового проекта

по дисциплине

«Элементы и системы автоматизированного

пневмогидропривода»

для студентов специальности 7.092501

дневной и заочной форм обучения

Севастополь

2005


УДК 681.576

Методические указания к выполнения курсового проекта по дисциплине «Элементы  и системы автоматизированного пневмогидропривода» для студентов специальности 7.092501 дневной и заочной формы обучения / Сост. канд. техн. наук, доц. В.П. Поливцев. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2005. – 30 с.

В качестве задания даны основные схемы пневматических и гидравлических линейных и поворотных модулей приводов. Представлены инженерные методики расчета конструктивных и динамических параметров привода. Представлена методика построения пневматической системы управления. Приведены основные необходимые для расчетов справочные данные.

Для студентов технических вузов машиностроительных специальностей.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры АТПП протокол № 7 от 18.02.2005 г.

Допущено учебно-методическим центром в качестве методических указаний.

Рецензент д-р. техн. наук, проф. Копп В.Я.


СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения 4

1.1. Цель курсового проекта 4

1.2. Задание на курсовой проект 4

1.3. Содержание курсового проекта 4

1.4. Последовательность выполнения курсового проекта 7

2. Статический расчет основных параметров двигателя 8

2.1. Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 1.1.1., 1.1.2 8

2.2. Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 1.2.1.,1.2.2 8

2.3. Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 2.1.1., 2.1.2 9

2.4. Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 2.2.1., 2.2.2 10

2.5. Расчет необходимой мощности и расхода привода 10

2.6. Расчет параметров ротационного двигателя модуля 3.1.1. 12

3. Расчет гидравлического демпфера 17

3.1. Расчет демпфера –1 17

3.2. Расчет демпфера – 2 17

3.3. Расчет демпфера для модулей 2.1.1.. 2.2.1., 2.2.2., 2.1.2 18

4. Расчет трения в уплотнениях 19

5. Расчет динамических характеристик пневмогидропривода 20

5.1. Расчет динамики пневмопривода 20

5.2. Расчет динамики гидропривода 22

6. Проектирование пневматической или гидравлической системы управления приводом 24

6.1. Составление  логических уравнений, описывающих состояния системы управления 25

6.2. Реализация принципиальной схемы системы управления приводом 27

7. Проектирование графической части курсового проекта 28

7.1. Проектирование сборочного чертежа модуля 28

7.2. Проектирование схемы принципиальной управления приводом 29

7.3. Проектирование сборочно-монтажного чертежа блока управления приводом 29

Библиографический список 30


1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Цель курсового проекта

Целью данного курсового проекта является овладение методами проектирования пневматического или гидравлического привода технологических машин и механизмов, применяемого в различных отраслях промышленного производства; умение произвести расчеты статических,  динамических, расходных характеристик привода; приобретение навыков по подбору элементов распределительной,  регулирующей аппаратуры  и составлению пневматических и гидравлических схем привода.

1.2. Задание на курсовой проект

В задании на курсовой проект предлагает  пять типов модулей (рисунок 1), с тремя видами двигателей (цилиндр, квадрант, мотор), двумя источниками питания (пневматическим, гидравлическим), два типа гидро-демпфера, пять вариантов циклограммы работы модулей. Варианты заданий приведены в таблице 1.

Х. Х. Х. Х. Х.

                    

Тип циклограммы работы модулей (таблицы 2…6).

Тип гидро-демпфера: 1-зависяший от скорости,  

2- зависящий от  координаты.

Количество двигателей: 1-один, 2-два.

Тип рабочего тела: 1- воздух, 2-жидкость

Тип двигателя: 1-цилиндр, 2-квадрант, 3- мотор.

Для пневматического привода в качестве рабочего тела используется сжатый воздух с давлением 0,4…0,6 МПа, для гидравлического привода в качестве рабочего тела используется минеральное масло с давлением 4…6,3 МПа.

1.3. Содержание курсового проекта

Пояснительная записка:

  •  Введение.
  •  Статический расчет двигателя.
  •  Динамический расчет двигателя.
  •  Расчет трения в уплотнениях.
  •  Расчет и выбор конструктивных параметров демпфера.
  •  Расчет требуемой мощности привода.
  •  Назначение и описание работы привода.
  •  Синтез системы управления и описание принципиальной схемы работы приводом.
  •  Заключение.
  •  Библиографический список
  •  Приложение.

Ориентировочный объем пояснительной записки 25…30 листов.

Графическая часть:

  •  лист формата А1- сборочный чертеж модуля.
  •  лист формата А1- сборочно-монтажный чертеж блока управления приводом.
  •  лист формата А1- схема принципиальная управлением приводом (пневматическая или гидравлическая).

Таблица 1

Вари

анта

Код

варианта

Ход (м)

Угол (рад)

Скорость

(м/с,рад/с)

Нагрузка

Сила (Н)

Момент (Нм)

Масса (кг)

момент

инерции

(кгм)

Циклограмма работы

привода

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

1.1.1.1.2.

1.1.1.2.3.

1.1.1.1.4.

1.2.1.2.5.

1.2.1.1.6.

2.1.1.2.2.

2.1.1.1.3.

2.1.1.2.4.

2.2.1.1.5.

2.2.1.2.6.

3.1.1.1.2.

3.1.1.2.3.

3.1.1.1.4.

3.1.1.2.5.

3.1.1.1.6.

2.1.2.2.2.

2.1.2.1.3.

2.1.2.2.4.

2.2.2.1.5.

2.2.2.2.6

1.1.2.1.2.

1.1.2.2.3.

1.1.2.1.4.

1.2.2.2.5.

1.2.2.1.6.

3.1.2.1.2.

3.1.2.2.3.

3.1.2.1.4.

3.1.2.2.5.

3.1.2.1.6.

0.20

0.25

0.30

0.40

0.50

3.5

2.0

2.5

4.0

3.0

0.35

0.4

0.3

0.5

0.45

2.0

2.5

3.0

4.0

3.5

0.4

0.5

0.3

0.25

0.35

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.5

0.6

0.8

0.7

0.5

3.0

2.5

2.0

1.0

0.8

0.1

0.15

0.2

0.15

0.2

1.5

2.0

2.5

1.0

0.8

0.7

1.0

0.7

0.3

0.2

0.1

0.15

0.2

0.15

0.2

500

300

200

4000

3000

10

20

15

150

300

1000

1200

1500

1200

1000

100

80

60

400

600

800

600

400

8000

5000

1200

1600

2000

1800

1400

10

15

20

40

50

0.1

0.15

0.2

0.8

1.2

0.01

0.015

0.01

0.02

0.015

0.3

0.25

0.2

0.5

0.6

15

20

15

40

50

0.02

0.015

0.01

0.015

0.02

1-2-1а-2а

1-2-2а-1а

1-2-1а,2а

1,2-1а-2а

2-1-2а-1а

1-2-1а-2а

1-2-2а-1а

1-2-1а,2а

1,2-1а-2а

2-1-2а-1а

1-2-1а-2а

1-2-2а-1а

1-2-1а,2а

1,2-1а-2а

2-1-2а-1а

1-2-1а-2а

1-2-2а-1а

1-2-1а,2а

1,2-1а-2а

2-1-2а-1а

1-2-1а-2а

1-2-2а-1а

1-2-1а,2а

1,2-1а-2а

2-1-2а-1а

1-2-1а-2а

1-2-2а-1а

1-2-1а,2а

1,2-1а-2а

2-1-2а-1а

Нагрузка выражена в виде силы F- для линейного модуля или момента М – для модуля поворота и приложена к приводному звену модуля. Скорость задана: для линейного модуля величиной -V в (м/с), а для модуля поворота (квадранта) величиной - в (рад/с). Для линейного модуля задана величина хода – L в (м), а для модуля поворота углом поворота - (рад.). В варианте для линейного модуля задана масса – в (кг), а для модуля поворота момент инерции- J в (кгм2).

В таблице 1 заданы в последней графе,  варианты последовательности работы двух модулей привода.

Рисунок 1

а – модуль 1.1.1., 1.2.1.; б – модуль 1.1.2..1.2.2.; в – модуль 2.1.1., 2.2.1.;

г – модуль 2.1.2.; 2.2.2.; д – модуль 3.1.1.

Таблица 2                                                        Таблица 3

N

1

2

3

4

N

1

2

3

4

f1

0

1

1

0

f1

0

1

1

1

f

1

0

0

1

f

1

0

0

0

f2

0

0

1

1

f2

0

0

1

0

f

1

0

0

0

f

1

0

0

1

х

0

1

0

1

х

0

1

0

1

у

0

0

1

1

у

0

0

1

1

Таблица 4                                                   Таблица 5

N

1

2

3

4

N

1

2

3

4

f1

0

1

1

f1

0

1

0

f

1

0

0

f

1

0

1

f2

0

0

1

f2

0

1

1

f

1

1

0

f

1

0

0

х

0

1

0

х

1

1

0

у

0

0

1

у

1

0

1

 

Таблица 6

 N

  1

 2

 3

 4

 f1

 0

0

 1

 1

 f

 1

1

 0

 0

 f2

 0

1

 1

 0

 f

 1

0

 0

 1

  х

 0

1

 0

 1

  у

 0

0

 1

 1

1.4. Последовательность выполнения курсового проекта

1.4.1.На основании данных заданных вариантом делаем статический (силовой) расчет двигателя и получаем предварительные геометрические параметры.

Полученные параметры не обязательно обеспечат заданные динамические характеристики – среднюю скорость исполнительного органа модуля.

1.4.2. Проведем моделирование динамических характеристик двигателя на ЭВМ.

На этом этапе уточняются геометрические параметры двигателя (диаметр цилиндра, диаметр условного прохода элементов)

1.4.3. Для безударной остановки исполнительного органа  двигателя делается расчет геометрических параметров гидравлического демпфера.

1.4.4. На данном этапе разрабатывается сборочный чертеж формата – А1 модуля, где в конструкции учитываются направляющие, двигатель, демпфера.

1.4.5. Выполняется расчет трения в уплотнениях, расходных характеристик  и мощности привода. При этом следует учесть, что в приводе работают два модуля.

1.4.6. На основании работы (циклограммы)  и таблицы состояния (таблицы 2…6) привода синтезируем систему управления работы модулей, подбираем распределительные элементы привода. Чертим схему принципиальную (пневматическую, гидравлическую) формат-А1 управлением приводом.

1.4.7. На основании принципиальной схемы привода и диаметра условного прохода из каталогов подбираются пневматические или гидравлические элементы с геометрическими размерами, подбираются фитинги и соединительные трубки и трубопроводы.

1.4.8. Разрабатывается сборочно-монтажный чертеж формата-А1 блока управления приводом.

1.4.9. Курсовой проект заканчивается оформлением расчетно-пояснительной записки.

2. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

2.1. Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 1.1.1. и 1.1.2.

Определим диаметр пневмоцилиндра по формуле [1,3]:

,                                               (1)

где  F- внешняя нагрузка заданная вариантом в (Н), Р- магистральное давление  (Па).

Для модуля 1.1.2. определим диаметр пневмоцилиндра по формуле:

.                                            (2)

Полученные значения диаметра цилиндра округляем в большую сторону до ближайшего стандартного.

Диаметр (мм)= 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100.

Выбираем диаметр условного прохода (ДУ)  распределителя из соотношения

ДУ= 0.1D и округляем  до ближайшего стандартного.

ДУ= 2.0; 2.5; 3.0; 4.0; 6.0; 10.0; 12.0; 16.0.

Для пневпопривода рекомендуемое ДУ=2.5…4.0; гидропривода ДУ=6.0…10.0.

Диаметр штока  пневмоцилиндра определяют из соотношения:

d = (0.2…0.3)D

и округляют до ближайшего взятого из стандартного ряда 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40.

2.2.  Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 1.2.1. и 1.2.2.

Диаметр гидроцилиндра можно рассчитать по формуле [7]:

,                                                 (3)

где p- давление в гидросистеме.

Диаметр штока гидроцилиндра определяют из соотношения:

d = (0.3…0.5)D

и округляют до ближайшего взятого из стандартного ряда 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40.

Для коротких штоков l  10d справедлива проверочная формула:

,                                                  (4)

где F- усилие сжатия штока, и - допустимое напряжения изгиба штока,

d – диаметр штока.

Толщину стенок корпуса гидроцилиндра находят из выражения:

,                                           (5)

где р - допустимое  напряжение растяжения материала, Р - давление в гидроцилиндре, Rн, Rо – наружный и внутренний  радиус корпуса цилиндра.

Толщину крышек гидроцилиндра определяют по формуле:

,                                                  (6)

где р- допустимое напряжение растяжения материала корпуса, D – диаметр цилиндра, Р –рабочее давление среды.

Выбираем диаметр условного прохода (ДУ) распределителя из соотношения

ДУ= 0.15D и округляем  до ближайшего стандартного (см. п. 2.1.). Диаметр условного прохода проверяют по условию, что скорость потока жидкости не должна превышать 6 м/с из условия:

Vду = 4VSц /  dду ,                                        (7)

где Vду – скорость потока через диаметр условного прохода, V- скорость штока цилиндра, Sц – площадь поршня цилиндра, dду – диаметр условного прохода.

2.3. Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 2.1.1., 2.1.2.

Определим ход штока цилиндра L = 0.15 (м) при = (2.0…2.5) рад, L = 0.2 (м) при = (2.5…4) рад.

Определяем диаметр делительной окружности зубчатого колеса в (м) по формуле:

Dд =  L / ,                                                       (8)

Округляем полученное значение Dд до стандартного.

Находим силу, действующую на шток цилиндра с одним двигателем (модуль 2.1.1., 2.1.2.) из выражения:

F = 2М / Dд .                                                    (9)

С двумя цилиндрами по формуле:

                                       F = М / Dд ,                                                   (10)

где М - крутящий момент, заданный вариантом.

Определим приведенную массу, приложенную к штоку для одного цилиндра по формуле:

.                                                       (11)

С двумя цилиндрами по формуле:

,                                                       (12)

где  I – момент инерции привода, заданный вариантом.

Определяем диаметр цилиндра по формуле:

.                                                 (13)

где  F- внешняя нагрузка заданная вариантом в (н), Р- магистральное давление  (Па).

Диаметр условного прохода, диаметр штока выбирается из параграфа 2.1.

2.4. Расчет конструктивных параметров двигателя модуля 2.2.1., 2.2.2.  

Расчет таких параметров как длина хода штока цилиндра l, диаметр делительной окружности зубчатого колеса Dд, силу действующую на шток цилиндра F, приведенную массу, приложенную к штоку m, диаметр цилиндра D определяем из параграфа 2.3. с учетом одного или двух цилиндров.

Расчет геометрических параметров гидроцилиндра таких как, толщина стенок гильзы, крышек, проверка штока производится согласно параграфа 2.2.

Диаметр условного прохода, диаметр штока выбирается из параграфа 2.1.

2.5. Расчет необходимой мощности и расхода привода

2.5.1. Расход воздуха (объемный) потребляемый пневматическим цилиндром можно определить из выражения:

          Q = V S k z  ,                                                   (14)

где V- скорость движения поршня со штоком, S- площадь поршня, k – коэффициент сжимаемости среды (относительно атмосферы), z- число двойных ходов в единицу времени.

В приводе необходимо учитывать количество цилиндров в модуле и что привод включает два модуля.

Потребляемая мощность привода находится из выражения:

                                    N = Q P /  ,                                                     (15)

где Q - объемный расход, Р- давление пневмосети, - К.П.Д. пневмоцилиндра (0.6…0.8).

2.5.2. Для расчета гидравлического привода определим объемный расход  для одного гидроцилиндра из выражения:

                                    Q = V S z ,                                                        (16)

где V- скорость движения поршня со штоком, S- площадь поршня, z- число двойных ходов в единицу времени.

Потребляемая мощность  гидравлического привода находится из выражения:

                                      N = Q P/  ,                                                      (17)

где Q- объемный расход, Р- давление насоса, - К.П.Д. гидроцилиндра (0.7…0.9).

2.5.3. Для расчета параметров ротационного двигателя (мотора) модуля 3.1.1. необходимо определить требуемую мощность. Эта мощность складывается из двух составляющих: мощность, развиваемая двигателем в установившемся режиме Nу ; мощность, развиваемая при разгоне Np  Определим Nу (вт) из выражения:

,                                                    (18)

где - угловая скорость вращения двигателя, М – крутящий момент, развиваемый двигателем, - К.П.Д. двигателя (0.6…0.9).

Так как кинематика модуля предполагает наличие ходового винта  то крутящий момент, развиваемый двигателем, находим из выражения:

,                                           (19)

где F- усилие, развиваемое модулем и задано вариантом, dхв – диаметр ходового винта с трапецеидальной резьбой (рекомендуемый  12, 16, 20, 24 мм), s – шаг резьбы (2, 3, 4,6 мм), - угол профиля резьбы (30), f – коэффициент трения в резьбе (0.1…0.2).

Угловую скорость вращения вала двигателя определяем из выражения:

                                       = 2 V/ s ,                                                      (20)

где V- линейная скорость исполнительного органа модуля заданная вариантом, s – шаг резьбы ходового винта модуля.

Определим Nр (Вт) по формуле:

                                     Nр= 2 I / 2 ,                                                   (21)

где I – момент инерции, приведенный к валу двигателя, - постоянная времени разгона двигателя ( = 0.2 Т),  Т- время перемещения полного хода модуля.

Определяем полную требуемую мощность двигателя:

                                 N = Nу +Nр .                                                    (22)

2.6. Расчет параметров ротационного двигателя модуля 3.1.1.

2.6.1. Принимаем общие параметры 5:

- к.п.д. двигателя, Р –давление в сети 4…6 кг/см2, Р –падение давлений 0.5…1.5 атм., Ро –давление на выхлопе 0.5 атм., ку – коэффициент утечек 0.4….0.6.

2.6.2. Определим безразмерные параметры а и q:

                            а = rо / e; q= h / e .                                                  (23)

Увеличение параметра q приводит к повышению момента трения в ротационном двигателе, поэтому параметр q целесообразно принимать как можно меньшим q = 4.0…5.0.

Степень использования габаритов двигателя определяется величиной – а. Чем меньше это значение, тем больше объем камеры наполнения, а следовательно, и мощность двигателя. При радиальном расположении лопаток величина –а зависит от высоты лопаток и почти не зависит от их числа, а = 4…6.

2.6.3. Выбираем число лопаток двигателя z = 4…8, коэффициент толщины лопаток Kв = 0.1…0.25 (см. рисунок 2).

2.6.4. Определяем углы конца впуска о и конца выхлопа 1 из выражения:

       = 2 / z;    o = + / 2;    1 = - / 4.                                  (24)

2.6.5. Выбираем  радиус ротора ro. Из графиков на рисунках 3 и 4 находим С1, С2, В. Определяем С6 и С7 из выражения:

                              C6 = 1 + 2.3 lg  ,                                                     (25)

где   = С2 / С1

                                                                

.                                                       (26)

                            

Находим  величину В2 по формуле:

.                                           (27)

Радиус ротора двигателя определяем из выражения:

,                                                          (28)

где ro- в (см), Kl =2.5…4.0, N – мощность (кВт).

2.6.6. Определяем геометрические размеры двигателя из соотношений:

                        длину ротора – l = Kl ro ;

                        эксцентриситет – e = ro / а;

                        высоту лопатки – h = e q;

                        толщину лопатки – b = Kв ro;

                        внутренний диаметр  статора – D = 2ro + 2e.

2.6.7. Определим частоту вращения ротора по формуле (об\мин.):

,                                       (29)

где С51 С6.

Полученные геометрические параметры используем при проектировании сборочного чертежа модуля.

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

3. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДЕМПФЕРА

Уменьшение скорости исполнительного органа модуля при подходе к точке позиционирования (безударная остановка) часто обеспечивается применением гидравлических демпферов, создающих усилие торможения, в основном зависящие от скорости исполнительного органа модуля.

3.1. Расчет демпфера – 1, у которого коэффициент демпфирования

зависит в основном от скорости для модулей 1.1.1.;1.2.1.; 1.2.2.; 1.1.2.; 3.1.1.

3.1.1. Выбираем ход демпфера Хд = 0.05…0.1 хода модуля заданного вариантом, для модулей поворота О.1…0.3 хода поршня цилиндра. Находим силу торможения [6 ]:

,                                           (30)

                 

,                                           (31)

где F- усилие, развиваемое двигателем с учетом динамического расчета. F - сила инерции при торможении, Х - ход модуля.

В соответствии со схемой демпфера представленной на рисунке 5. Определяем коэффициент демпфирования из соотношений 6 :

,

,                                   (32)

где dп- диаметр поршня демпфера определяем

                                                 dп 

 

Рекомендуемое значение dп (16….32)мм, -коэффициент динамической вязкости масла (0.05…0.5 Па*с), l -длина конической запорной части демпфера, d1,d2 –диаметры запорной части демпфера, a – щелевой зазор. Исходя из конструктивных ограничений  принимаем d2 =10…15 мм, d1 =2…3 мм, а конусность запорной части от 1:5 до 1:10, находим кольцевой зазор из выражения:

.                                          (33)

3.2. Расчет демпфера – 2, у которого коэффициент демпфирования зависит в основном от координаты запорного элемента для модулей 1.1.1.; 1.2.1.; 1.2.2.; 1.1.2.; 3.1.1. Рисунок 6. Определяем коэффициент демпфирования из выражения:

,                           (34)

где хо – координата штока демпфера, при которой игла 3 упирается в седло корпуса 4, а х – текущая координата перемещение запорного конуса.

Исходя из конструктивных ограничений, принимаем d1 =10…15 мм,
d2 = d1 + (0.2…2) мм, а конусность запорной части от 1:5 до 1:10. Усилие  торможения, развиваемое демпфером Fд  на начальном этапе, рассчитывается аналогично п.1.Находим необходимую длину конусной части равную ходу штока демпфера из выражения:

   

.                   (35)

Полученное значение длины округляем в большую сторону до ближайшего рекомендуемого числового ряда.  

3.3. Расчет демпфера для модулей 2.1.1.; 2.2.1.; 2.2.2.; 2.1.2.

Сила торможения демпфера определяется из выражения:

,                                       (36)

где М -  крутящий момент, развиваемый модулем, r - радиус расположения демпферов и задается конструктором, I - момент инерции модуля, - угол поворота модуля, - угловая скорость модуля.

Остальные параметры демпфера 1 и 2 насчитываются аналогично п.1, п.2.

Полученные геометрические параметры демпфера используются при конструировании сборочного чертежа модуля.

Рисунок 5

Рисунок 6

4. РАСЧЕТ ТРЕНИЯ В УПЛОТНЕНИЯХ

Расчет силы трения в уплотнениях по конструктивным параметрам производят с помощью условного коэффициента трения по формуле 4:

,                                                   (37)

где Рк – контактное давление по кольцу, l – ширина контакта кольца, D – диаметр уплотнительного кольца, fТ – коэффициент трения определяют по графику на рисунке 7.

Момент трения Мт в уплотнении диаметром D определяем из выражения:

         Мт = π /2 fТРКD2 l .                                                   (38)

Контактное давление определяют по формуле:

                        РК = РКО +S Рс  ,                                                                                    (39)

где РКО – среднее контактное давление, S – коэффициент передачи давления, для резины S = 0.9…0.98, Рс – давление среды.

Среднее контактное давление определяют из выражения:

            РКО = Кф Е ε  ,                                                     (40)

где Е – модуль упругости материала, для резины Е = 4….15 МПа, Кф – коэффициент  учитывающий влияние формы сечения на величину РКО , для кольца круглого сечения Кф =1.95, для кольца прямоугольного сечения Кф = 1.1.

Значение ε < 0.2 для колец круглого и прямоугольного сечения определяют из выражения:

                  ε = (d – н) / 3d,                                                     (41)

где d – диаметр сечения кольца, н – высота канавки под уплотнение.

Для манжетных уплотнений  пневматических ε =0.01…0.04, гидравлических - 0.05…0.08, а Кф = 0.8…1.0.  Длину контакта определяют из соотношения:

                            l = Ка d ,                                                         (42)

Ка = 1.5.

Рисунок 7

5. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА

При решении ряда технических задач с использованием пневмогидроприводов необходимо учитывать такие факторы, как последовательность срабатывания, время срабатывания, быстродействие, время разгона и торможения исполнительных органов, динамику исполнительных звеньев под действием  активной, а также знакопеременной нагрузки. Выше указанные факторы зависят от физики процессов происходящих в исполнительных силовых органах приводов.

5.1. Расчет динамики пневмопривода [2].

При расчетах динамики линейного пневматического модуля необходимо учитывать, что движущие усилие, создаваемое двигателем (цилиндром) определяется термодинамическими  уравнениями наполнения одной из полостей и стравливания воздуха из другой в силу сжимаемости среды. Из динамического расчета можно определить ускорение,  скорость, координату и усилие развиваемое рабочим органом в каждый момент времени, а также время затраченное на перемещение рабочего органа.

Схема пневмоцилиндра представлена на рисунке 8а. Обозначение каждого параметра пневмоцилиндра в скобках дается имя этой переменной  в тексте программы  на языке QUASIC  для моделирования динамики на ЭВМ (все параметры имеют размерность в системе СИ).

Х9 (Х9) – максимальный ход штока;

Х3 (Х3) – заданное перемещение (Х39);

Х0 и Х4 (Х0 и Х4) – начальные объемы цилиндра приведенные к линейным параметрам;

D (I1) -  внутренний диаметр цилиндра:

Р1 – давление внутри бесштоковой полости:

Р2 - давление внутри штоковой полости;

Р3 – магистральное давление сжатого воздуха;

Р4 – атмосферное давление (абсолютное);

μ0 – коэффициент расхода;

Ду (МД) – диаметр условного прохода подводящей и отводящей магистрали;

М – масса подвижных частей;
Р
т р (Р5) – сила сухого трения;

  •  сила вязкого трения, равная коэффициенту демпфирования на скорость движения поршня;

N – внешняя нагрузка;

F1 – площадь поршня ( F1 = πD2 / 4).

Для описании динамики пневмоцилинндра необходимо записать Ньютоновское уравнение для движения поршня со штоком:

.                                        (43)

Давления в полостях  цилиндра определяем из уравнений:                           

                                                                                                                                       

,                                           (44)

,                                   (45)

Совместное решение уравнений 4.3…4.5  одним из численных (приближенным) методов решения, например, Рунге-Кутта второго порядка реализовано в алгоритме программы приведенной в приложении 1а. Уравнения 4.3…4.5  в программе представлены в виде:

,                                 (46)

,                                                (47)

,                                                (48)

,                               (49)

.                             (50)

Массовый расход можно определить из одной из форм уравнения Дарси-Вейсбаха:

.                                            (51)

Задачей динамического расчета является выбор таких параметров цилиндра, которые  обеспечивают заданное значение скорости штока при минимальных значениях диаметра условного прохода Ду и диаметра цилиндра D. На рисунке 8б представлена форма графиков зависимости скорости движения от диаметра цилиндра и различных значениях ДУ.

Полученные значения диаметра цилиндра  и диаметра условного прохода ДУ из статического расчета подставляются в программу и вычисляется средняя скорость штока Vср= Ххода/ tхода. Если расчетная средняя скорость из динамического расчета меньше заданной по варианту, следует увеличить диаметр условного прохода до ближайшего стандартного и повторить расчет. Если при повторном расчете не достигнута заданная скорость, следует увеличить диаметр цилиндра до ближайшего стандартного и  повторить расчет.

                                                    

Рисунок 8а

Рисунок 8б

5.2. Расчет динамики гидропривода

При решении конкретных прикладных задач динамики, а именно при описании движения жидкости в полостях гидравлических машин, следует учесть факт изменения  масс в единицу времени как следствие сжимаемости среды для неустановившихся потоков. Рассмотрим задачу динамики поршня со штоком гидроцилиндра при заполнении и опорожнении полостей гидропривода жидкостью под давлением (смотри рисунок 9).

Рисунок 9

F1, Р1, Q1, Рн – соответственно эффективная площадь, давление и расход полости нагнетания, а также давление магистрали (насоса).

F2, Р2, Q2, Ра - соответственно эффективная площадь, давление и расход полости  опорожнения, а также давление атмосферы.

Хо – эквивалентное перемещение, учитывающее начальный объем полостей цилиндра.

Х – текущее перемещение поршня.

ХS – ход поршня.

DВХ, DВЫХ - диаметры входных  и выходных отверстий (диаметр условного прохода).

Движение поршня со штоком  под действием сил описывается уравнением на основании второго закона Ньютона:

,                                      (52)

где F1, F2 – площади поперечных сечений поршня  безштоковой и штоковой

полостей цилиндра, м2;

Р1, Р2 – давление в полостях цилиндра, Па;

Х – текущая координата перемещения поршня, м;

NТР – сила трения в уплотнениях, Н;

N – полезная нагрузка на шток поршня, Н.

Кроме уравнения 5.10 следует записать уравнения изменения давления в полостях цилиндра с учетом, что объем полости нагнетания равен F1 (X0 +X), а объем сливной полости равен F2 (X0 +XS- X):

,                                            (53)

,                                    (54)

где ЕЖ – модуль упругости среды в Па (для масла И-20 ЕЖ = 1360 МПа), Q1, Q2 -  расходы в полостях наполнения и опорожнения.

Входящие в уравнения 5.11, 5.12 расходы определяем из выражения:

,                                                  (55)

,                                                (56)

где μ1, μ2 –коэффициент расхода (μ = 0.7…0.9), S1, S2 – площади отверстий наполнения и слива (условного прохода), ρ – плотность жидкости (масла И-20
ρ = 885 кг / м
3 ).

Разность давлений ∆P1, ∆P2 определяем:

                                   ∆P1= PН - Р1 ,                                                    (57)

                                   ∆P2 = Р2 – РА  .                                                                         (58)

Решая  совместно систему уравнений 5.2…5.4 находим основные динамические параметры гидроцилиндра. Так как полученная система уравнений не линейна решение может быть приближенным  и  решается одним из методов численного решения например – методом Эйлера. Представим вышеуказанные уравнения для решения системы на i – ом шаге интегрирования в виде:

              d2 Xi /dt2 = (P1i F1 – P2iF2 – NТР –N) / m   ,                             (59)

 P1i = P(1i – 1) + ЕЖ  / (Х0 + Х(i – 1)) (Q1i / F1 – dX(i – 1) / dt) ∆ti ,                (60)

  P2i = P(2i – 1) + ЕЖ  / (Х0 +ХS - Х(i – 1)) (Q2i / F2 – dX(i – 1) / dt) ∆ti ,           (61)

               dXi / dt = dX(i – 1) / dt + d2 X(i1)/dt2∆ti   ,                                            (62)

             Xi = X(i – 1} + dX(i – 1) / dt + d2 X(i1) / dt2  * ∆t2i / 2  .                    (63)

Вычисления производятся до тех пор, пока не выполнятся конечные условия (пока перемещение не станет равным заданному ходу поршня).

Полученные значения диаметра цилиндра  и диаметра условного прохода ДУ из статического расчета подставляются в программу и вычисляется средняя скорость штока Vср= Ххода/ tхода. Если расчетная средняя скорость из динамического расчета меньше заданной по варианту, следует увеличить диаметр условного прохода до ближайшего стандартного и повторить расчет. Если при повторном расчете не достигнута заданная скорость, следует увеличить диаметр цилиндра до ближайшего стандартного и  повторить расчет.

6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ИЛИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ  СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ

Исходя из варианта задания, необходимо разработать пневматическую или гидравлическую систему управления приводом, включающим два одинаковых модуля. Для привода задана циклограмма работы (таблица 1) и таблица состояний входных и выходных сигналов (таблицы 2…6). В таблице состояний входные сигналы заданы X и Y, выходные f1, f1A, f2, f2A.  

6.1. Составление логических уравнений, описывающих состояния

системы  управления

Уравнения записывают, используя таблицу состояний [2…6].  Для каждого выходного сигнала можно составить  уравнение, устанавливающее его зависимость от входных сигналов. Эти уравнения могут быть записаны в виде совершенно дизъюнктивной нормальной  форме (СДНФ) или совершенно конъюнктивной нормальной форме (СКНФ). В дальнейшем будем использовать уравнения – СДНФ.

СДНФ – представляет собой логическую сумму всех конституант единицы для данного выходного сигнала. Конституанта единицы – логическое произведение всех входных сигналов для состояния, при котором данный выходной сигнал принимает действительное значение. Произведение должно быть равным единице при подстановке значений входных сигналов, соответствующих этому состоянию, и принимать нулевое значение для любых других вариантов.

Состояние входов, при котором данный выходной сигнал действителен (т.е. равен единице), называется обязательным для данного выхода.

Состояние входов, при котором выходной сигнал ложен (т.е. равен нулю), называют запрещенным

Состояния входов, при котором значения данного выхода не играет роли и может быть любым из двух возможных, называют условным и в таблице состояний записывают прочерком.

В работе необходимо учитывать, что два реверсивных двигателя (двухсторонних цилиндра) управляются каждый распределителем (одним или двумя) от силовой магистрали, а сам распределитель переключается от пневматических или гидравлических сигналов управления f1, f1A, f2, f2A

Рассмотрим составление уравнений на конкретном примере, где в приводе пресса  используются цилиндр двухстороннего действия, который управляется от двухпозиционного четырехлинейного распределителя с односторонним управлением. Для двух положений оператора с целью безопасного включения пресса двумя руками, необходимо иметь три рукоятки (три  сигнала входных Х1, Х2. Х3). Так как распределитель с односторонним управлением один выходной сигнал У. Выходной сигнал У управления гидрораспределителем гидроцилиндра  пресса имеет два обязательных, четыре запрещенных и два условных состояния при всех возможных комбинациях  входных сигналов приведены в таблице 7 состояний.

Таблица 7

Х1

0

0

0

0

1

1

1

1

Х2

0

0

1

1

0

0

1

1

Х3

0

1

0

1

0

1

0

1

У

0

0

0

1

0

1

Запишем уравнение для выходного сигнала в виде СДНФ:

.                                             (64)

Для его реализации требуется два оператора НЕ, четыре И и один ИЛИ, т.е. семь логических операторов.

Анализируя таблицу состояний, видим, что первое условное состояние не является соседним ни для одного из обязательных и, и следовательно, не может быть использовано для склеивания. За то второе условное состояние (Х1=1, Х2=1, Х3=1) – соседнее для обоих обязательных состояний. Поэтому можно воспользоваться им для упрощения уравнения:

                   (65)

.

Для реализации полученного выражения требуется только два логических оператора ИЛИ, И. Логические операторы на структурной схеме обозначены на рисунке 10. Структурная схема реализации на логических элементах представлена на рисунке 11.

Рисунок 10

а – НЕ; б – ИЛИ; в – И; г – триггер (память)

                                                     

Рисунок 11

6.2. Реализация принципиальной схемы управления приводом

Для построения принципиальной схемы, прежде всего, выбирают тип аппаратуры, выполняющей логические функции. Необходимо учитывать, что пневматические и гидравлические логические элементы за небольшим исключением универсальны, т.е. позволяют выполнять несколько различных логических операций. Примеры реализации функций НЕ, ИЛИ, И представлено на рисунке 12.

Рисунок 12

а…г – инверсия (НЕ); д…и – дизъюнкция (ИЛИ); к…м – конъюнкция (И)

На основании распределительных элементов представленных на рисунке 12, и структурной схемы рисунок 11, проектируем принципиальную схему, для примера представленную на рисунке 13.

Рисунок 13

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

7.1. Проектирование сборочного чертежа модуля

В графическую часть входит проектирование сборочного чертежа линейного модуля или модуля поворота формата А1. Сборочный чертеж должен иметь достаточное число проекций и сечений чтобы полностью раскрыть конструкцию модуля. В конструкцию модуля входят: двигатель, направляющие, устройство торможения в конце хода (демпфер), несущая конструкция (корпус).

Двигатель в виде цилиндра имеет основные конструктивные элементы [8,10]:

Корпус- гильзу,  две крышки, поршень, шток, уплотнительные элементы.

Основные отличия пневматического и гидравлического цилиндров в толщине стенок гильзы и крышек, а также,  другие ГОСТы на уплотнительные элементы [8,10]. Некоторые конструкции линейных модулей и модулей поворота приведены в литературе – [9]. Конструкции гидродемпферов представлены в [6,11].

Конструкции ротационных двигателей приведены в [5]. В модуле поворота  (2.1.1., 2.2.1., 2.1.2., 2.2.2.) в качестве преобразователя движения, используется передача рейка – шестерня.  В модуле линейных перемещений с ротационным двигателем в качестве преобразования движения используется  ходовая передача винт – гайка.

Сборочный чертеж оформляется в соответствии с ГОСТ 2.109 -73 и спецификацией ГОСТ 2.108 - 68.

7.2. Проектирование схемы принципиальной управления приводом

Принципиальная схема управления приводом в зависимости от сложности может быть начерчена на формате А2 или А1. После уточнения диаметра условного прохода из динамических расчетов привода и  полученной структурной схемы из раздела 6 с учетом условных обозначений элементов по ГОСТу проектируется принципиальная схема управлением приводом. В схеме необходимо предусмотреть элементы обеспечивающие возможность регулировки скорости исполнительных органов привода. Для пневматического привода необходимо предусмотреть блок подготовки воздуха, а для гидравлического привода маслостанцию с насосом.

Чертеж оформляется в соответствии с ГОСТами и спецификацией на оформление пневматических и гидравлических схем.

7.3. Проектирование сборочно- монтажного чертежа блока

управления приводом

Сборочно-монтажный чертеж оформляется на листе формата А1. В соответствии с принципиальной схемой управления приводом выбирается блок управления со всеми входящими в него пневматическими или гидравлическими элементами.

Из источников [3, 10, 12, 13] по диаметру условного прохода и выбранному элементу из принципиальной схемы, подбираются габаритные размеры элементов и их присоединительные размеры. Существует два основных вида монтажа пневматических и гидравлических элементов: первый когда на монтажной плите, в которой предусмотрены каналы для подачи и отвода воздуха или масла, монтируются элементы, которые в этом случае выбираются приточного типа; второй когда элементы монтируются на корпусной плите и соединяются штуцерами  и шлангами. На чертеже должны быть сделаны местные разрезы, поясняющие конструкцию и тип присоединительной части элементов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гидроприводы и гидропневмоавтоматика станков /  В.А.  Федорец, М.Н. Педченко , А.Ф. Пичко и др. Под ред. В.А. Федорца. — К.: Вища шк., Головное изд-во, 1987. — 375 с.

2. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин / Е.В. Герц.— М.: Машиностроение, 1985. — 256 с., ил.

3. Герц Е.В. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник / Е.В. Герц. — М.: Машиностроение, 1981. — 408 с.

4. Машиностроительный гидропривод / А.А. Кондаков, Г.А. Никитин, В.Н. Прокофьев и др. Под ред. В.Н. Прокофьева — М.: Машиностроение, 1978. — 495 с.; ил.

5. Зеленский С.В. Ротационные пневматические двигатели / С.В. Зеленский , Е.Д.Рябиков. — Л.: Машиностроение, 1976. — 240 с.

6. Пашков Е.В. Робототехнические системы в сборочном производстве / Е.В. Пашков. — К.: Вища шк., Головное изд – во, 1987. — 272 с.

7. Некрасов В.В. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / В.В. Некрасов. — Минск: Выш. шк., 1985. — 282 с.

8. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. В 3-х т. Т.3. / В.И. Анурьев. — М.: Машиностроение, 1980. — 557 с.; ил.

9. Соломенцев Ю.М. Промышленные роботы в машиностроении. Альбом схем и чертежей / Ю.М. Соломенцев. — М.: Машиностроение, 1987. — 140 с.

10. Свешников В.К. Станочные гидроприводы. Справочник 2-е издание. / В.К. Свешников, А.А. Усов. — М.: Машиностроение, 1988. — 512 с.; ил.

11. Филипов И. Б.Тормозные устройства пневмоприводов / И.Б. Филипов — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987.— 143 с.; ил.

12. Camozzi Cataloque 2002 Edition.

13. Пневматика для автоматизации. FESTO PNEUMATIC. Главный каталог. — 2003.


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85386. Экологический мониторинг поверхностных водных объектов 78.5 KB
  Программа ГСМОС Вода включает 7 основных пунктов: создание всемирной сети станций мониторинга; разработка единой методики отбора и анализа проб воды; осуществление контроля за точностью данных; использование современных систем хранения и распространения информации; организация повышения квалификации для специалистов; подготовка методических справочников; обеспечение необходимым оборудованием в отдельных случаях. Основные задачи систематических наблюдений за качеством поверхностных вод в системе ОГСНК можно сформулировать следующим образом:...
85387. Отбор проб воды. Методы анализа водных сред 47.5 KB
  Отбор проб воды. representtive представительный показательный считается такая проба которая в максимальной степени характеризует качество воды по данному показателю является типичной и не искаженной вследствие концентрационных и других факторов. Пробы из рек и водных потоков отбирают для определения качество воды в бассейне реки пригодности воды для пищевого использования орошения для водопоя скота рыборазведения купания и водного спорта установления источников загрязнения. Учитывая длительность существования озер на первый план...
85388. Роль пробоотбора в общей процедуре методики анализа 44.5 KB
  Роль пробоотбора в общей процедуре методики анализа. Отбор проб почвы донных отложений растительности. Эффективность и достоверность методик и методического обеспечения системы экоаналитического контроля определяются прежде всего пробоотбором и пробоподготовкой. Любой химический анализ чаще всего начинают с отбора и подготовки пробы к анализу.
85389. Стабилизация, хранение, и транспортировка проб для анализа 57.5 KB
  Стабилизация хранение и транспортировка проб для анализа. Подготовка проб к анализу в лаборатории Пробы объектов окружающей среды могут отбираться как непосредственно перед анализом так и заблаговременно. В последнем случае применяются промежуточные операции хранения и стабилизации проб. Хранение проб в том числе содержащих следовые количества исследуемых веществ осложнено проблемой их потерь за счет сорбции на стенках сосудов а также разрушения в растворителях и на поверхностях носителей под действием кислорода света и других факторов...
85390. Метрологические аспекты экоаналитической процедуры 230.5 KB
  Задача количественного анализа определение измерение содержания т. Методики анализа включают в себя стадии подготовки пробы к анализу прямые измерения аналитических сигналов и их обработку вычисления результата анализа функционально связанного с результатами прямых измерений. Каждая стадия влияет на формирование аналитического сигнала и соответственно на результат анализа. Поэтому для метрологической характеристики определений необходима подробная методика описание всех условий и операций которые обеспечивают регламентированные...
85391. Основные принципы естествознания и концепция систем мониторинга 179 KB
  Концептуальные и теоретические схемы систем мониторинга. Пути усовершенствования мониторинга которые могут предложить современная наука и техника. Процедуру и технику эксперимента мониторинга нужно сделать как можно более устойчивой к неизвестным условиям наблюдения и изменяющимся и неизвестным параметрам или свойствам самого объекта.
85392. Цели и задачи экологического мониторинга 49.5 KB
  Цели и задачи экологического мониторинга. Классификация видов мониторинга В XX веке в науке возник термин мониторинг для определения системы повторных целенаправленных наблюдений за одним или более элементами окружающей природной среды в пространстве и времени. определяет мониторинг как систему регулярных длительных наблюдений в пространстве и во времени дающую информацию о прошлом и настоящем состояниях окружающей среды позволяющую прогнозировать на будущее изменение ее параметров имеющих особенное значение для человечества. Согласно...
85393. Государственная система мониторинга окружающей среды 77.5 KB
  Государственная система мониторинга окружающей среды. отходы w w w v w wсущественный объём информации; vограниченная информация отдельные вопросы Распределение функций мониторинга по различным ведомствам не связанным между собой приводило к дублированию усилий снижало эффективность всей системы мониторинга и затрудняло доступ к необходимой информации как для граждан так и для государственных организаций. Поэтому в 1993 году было принято решение о создании Единой государственной системы экологического мониторинга ЕГСЭМ которая должна...
85394. Глобальный мониторинг окружающей среды 48.5 KB
  Глобальный мониторинг окружающей среды Всемирной метеорологической организацией ВМО в шестидесятые годы была создана мировая сеть станций мониторинга фонового загрязнения атмосферы БАПМоН. Ее цель состояла в получении информации о фоновых уровнях концентрации атмосферных составляющих их вариациях и долгопериодных изменениях по которым можно судить о влиянии человеческой деятельности на состояние атмосферы. Развёрнутая там программа Глобальные системы мониторинга окружающей среды имеет 7 направлений: организация и расширение системы...