|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ЗАДАНИЕ. Исходные данные. Вариант. Назначение привода. Параметры гидроцилиндра. Нагрузка на гидроцилиндре, кг. Расход рабочей жидкости, л/мин. Рабочее давление, МПа. Рабочая жидкость
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ковровская государственная технологическая академия Кафедра ГПА и ГП СРС по дисциплине: «Динамика и регулирование ГПС» На тему: «Модельное исследование динамики гидропривода» Вариант № 20 Руководитель: Артемов В. В. Исполнитель: студент группы
Ковров 2016
ЗАДАНИЕ 1. Составить структурную схему гидропривода. 2. Выбрать согласно варианту насос с электродвигателем, распределитель и предохранительный клапан из серийного ряда. 3. Начертить гидравлическую схему гидропривода со спецификацией. 4. Разработать нелинейную математическую модель с учетом нелинейностей. 5. Рассчитать необходимые коэффициенты. 6. Построить графики переходных процессов по положению и скорости. 7. Построить частотные характеристики гидропривода. 8. Определить время полного переброса нагрузки. Исходные данные
СОДЕРЖАНИЕ стр. 1. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРИВОДА......................................... .. 5 2. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА.......... 6
2. 1. Выбор насоса............................................................................................. 6 2. 2. Выбор электродвигателя........................................................................... 8 2. 3. Выбор предохранительного клапана....................................................... .. 8 2. 4. Выбор гидрораспределителя.................................................................... 9 3. НЕЛИНЕЙНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОПРИВОДА.... 9 3. 1. Описание звеньев нелинейной математической модели........................... 9 3. 2. Звенья схемы.............................................................................................. 9 4. МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГИДРОПРИВОДА....... 13 4. 1. Графики переходных процессов гидропривода...................................... .. 13 4. 2. Частотные характеристики гидропривода............................................... 14 4. 3. Анализ графиков........................................................................................ 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................ 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................... .. 16 ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................................ .. 17 1 ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРИВОДА
В зависимости от требований, связанных с эксплуатацией машины, в гидро-приводе 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 из-менения давления, расхода и направления потока рабочей жидкости путем час-тичного 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. Напорный клапан типа Г54-3 может применяться в случае, когда требуется предохранить систему от чрезмерного давления, а также в качестве переливного. Напорный (предохранительный) клапан регулируется на максимально допустимое давление, а переливной - на рабочее давление. Клапаны выбираются по номи-нальному расходу и давлению (1; 2, 5; 6, 3; 10; 20 и 32 МПа). Гидрораспределители относятся к направляющей или регулирующей гидро-аппаратуре и применяются для изменения направления или пуска и остановки по-тока 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 двух-позиционным. Кроме того, если требуется обеспечить остановку выходного звена и разгрузку насоса - то он должен быть трехпозиционным. Применение гидрооборудования высокого класса точности, предъявляет по-вышенные 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 жид-кости; 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. В сливных магистралях устанавливают фильтры типа ФС и С42-5. Итак, учитывая вышесказанное и значение мощности гидропривода
(1) Вт он будет иметь дроссельное регулирование, и состоять из следующих основных элементов (см. рисунок 1 и приложение 1): • приводной электродвигатель; • насос нерегулируемый постоянного расхода; • гидроцилиндр; • клапан переливной типа Г54-3; • гидрораспределитель дросселирующий, золотниковый, трехпозиционный, двухлинейный; • дроссели с обратным клапаном; • фильтр типа ФС или С42-5; • трубопроводы.
1 Рисунок 1 - Гидравлическая схема привода 2 ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА 2. 1 Выбор насоса 2. 1. 1 Расчет давления на выходе из насоса [1]
(2)
где - рабочее давление в гидроцилиндре, = 16 МПа (по заданию);
- потери давления в распределителе, = 0, 2 МПа; - потери давления в дросселе, = 0, 3 МПа; - потери давления в трубопроводе, =0, 2 МПа.
2. 1. 2 Расчет требуемой подачи насоса [1].
(3)
где - рабочий расход в гидроцилиндре, =16л/мин; - утечки в гидроцилиндре; - утечки в распределителе; - утечки в предохранительном клапане; - утечки в дросселе.
(4)
где - утечки в гидроцилиндре, рассчитанные для давления = 20 МПа, =224 см3/мин.
см3/мин , (5)
где - утечки в распределителе, рассчитанные для давления = 20 МПа, = 100см3/мин
см3/мин (6) , (7) где - утечки в дросселе, рассчитанные для давления = 20 МПа, = 100см3/мин
см3/мин Тогда л/мин.
2. 1. 3 Выбор насоса по рассчитанным параметрам Исходя из условий , выбираем насос. Данным условиям соответствует пластинчатый насос НПлР 20/16, основные параметры которого приведены в таблице 1.
Таблица 1- Параметры насоса
2. 2 Выбор электродвигателя 2. 2. 1 Минимальная частота вращения вала электродвигателя
об/мин. 2. 2. 2 Максимальная частота вращения вала электродвигателя
об/мин. 2. 2. 3 Расчет требуемой мощности электродвигателя
(8) где - мощность насоса , кВт; (9)
- КПД муфты, =0, 98; - КПД насоса, =0, 78 кВт.
2. 2. 4 Выбор электродвигателя по рассчитанным параметрам Исходя из условий , выбираем электродвигатель, Данным условиям соответствует асинхронный электродвигатель ПБ 22М: - мощность электродвигателя кВт; -номинальная частота вращения вала электродвигателя об/мин
2. 3 Выбор предохранительного клапана Предохранительный клапан выбираем по номинальному расходу и давлению, т. е. Данным условиям соответствует предохранительный клапан Г54-32М: - номинальный расход л/мин - номинальное давление на входе МПа. 2. 4. Выбор гидрораспределителя Распределитель выбираем по номинальному расходу и давлению, т. е.
Данным условиям соответствует распределитель типа В10: - номинальный расход л/мин - номинальное давление на входе МПа; - диаметр условного прохода мм. 3 НЕЛИНЕЙНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОПРИВОДА Структурная схема нелинейной математической модели данного гидропривода, построенная в программе MatLab-Simulink, приведена на рисунке 2. 3. 1 Описание звеньев нелинейной математической модели 3. 1. 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= см3/мин; - 1 кгс=9, 81 Н. 3. 2 Звенья схемы 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 (см. рисунок 3)
Рисунок 3 – Звено, описывающее распределитель Для данного распределителя с = 10 мм: - ; - мс; -
3. 2. 3 Коэффициент усиления К1 На вход данного звена подается значение перемещения золотника распределителя, на выходе имеем теоретический расход. , (10) где - коэффициент, учитывающий смену единиц измерения; , (11) где - максимальный расход, проходящий через распределитель,
л/мин см3/мин; - максимальное перемещение золотника, для данного распределителя см. см2/мин, см3/(мин м) 3. 2. 4 Звено, учитывающее нелинейность типа 2насыщение по расходу». На входе данного звена – теоретический расход, на выходе – реальный расход. Параметры данного звена в программе Simulink будут иметь следующие значения: - Upper limit: 1, 793 104 ( ); - Lower limit: - 1, 793 104 ( ). 3. 2. 5 Звено, учитывающее сжимаемость рабочей жидкости (см. рис. 4) На входе в данное звено – «расход сжимаемости», на выходе – давление в поршневой полости гидроцилиндра.
Рисунок 4 – Звено, учитывающее сжимаемость рабочей жидкости
Здесь: - - объем гидроцилиндра , (12) где - диаметр поршня гидроцилиндра, см. (см. Задание); - ход поршня гидроцилиндра, см. (см. Задание),
см3 - - модуль упругости, см2/кг; - - коэффициент утечек,
(13)
см5/(кгс мин) 3. 2. Звено, учитывающее нелинейность типа «насыщение по давлению» На входе в данное звено – теоретическое давление, на выходе – реальное давление. Параметры данного звена в программе Simulink будут иметь следующие значения: - Upper limit: 35 ( ); - Lower limit: - 35 ( ). 3. 2. 7 Коэффициент усиления К2 На вход данного звена подается значение реального давления в поршневой полости гидроцилиндра, на выходе имеет силу, создаваемую этим давлением.
, (14) где - коэффициент, учитывающий смену единиц измерения,
Н/кгс. 3. 2. 8 Звено, описывающее механическую часть гидропривода (см. рисунок 5).
Рисунок 5 – Звено, описывающее механическую часть гидропривода
Здесь: - - приведенная масса на гидроцилиндре (см. Задание); - - коэффициент вязкого трения,
(15) где - длина напорной линии, примем м; - диаметр напорного трубопровода, примем м,
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:
(16)
где - давление страгивания (см. Задание),
Н. Параметры данного звена в программе Simulink будут иметь следующие значения: - Upper limit: 188, 4 ( ); - Lower limit: - 188, 4 ( ).
3. 2. 10 Коэффициент усиления К4 На вход данного звена полается значение скорости поршня гидроцилиндра, на выходе имеет силу сухого трения. Для мгновенного срабатывания звена, описывающего сухое трение принимаем К4 = 106кг/с.
3. 2. 11 Коэффициент усиления К3 На вход данного звена подается значение скорости поршня гидроцилиндра, на выходе имеем геометрический расход в гидроцилиндре.
(17)
где - коэффициент, учитывающий смену единиц измерения,
(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: 0, 08 ( ); - Lower limit: -0, 08 ( ).
4 МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГИДРОПРИВОДА
4. 1 Графики переходных процессов гидропривода 4. 1. 1 График переходного процесса по перемещению (см. рисунок 6 и приложение 2). Время полного переброса нагрузки: с.
Рисунок 6 – График переходного процесса по положению
4. 1. 2 График переходного процесса по скорости (см. рисунок 7, рисунок 6 и приложение 3).
Рисунок 7 – График переходного процесса по скорости
Максимальная скорость поршня гидроцилиндра м/с.
4. 2. Частотные характеристики гидропривода (см. рисунок 8, рисунок 6 и приложение 4).
Рисунок 8 – ЛАФЧХ
4. 3 Анализ графиков Анализ графиков переходных процессов показал, что система является «вялой». Анализ частотных характеристик показал, что система обладает слишком большими запасами устойчивости по амплитуде и малым запасом по фазе. Система является устойчивой, однако для того чтобы она работала приемлемо необходимо применить гидроцилиндр большего типоразмера.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе курсовой работы были выполнены следующие пункты задания: 1. Составлена структурная схема гидропривода. 2. Выбраны: насос с электродвигателем, распределитель и предохранительный клапан из серийного ряда. 3. Начерчена гидравлическая схема гидропривода со спецификацией. 4. Разработана нелинейная математическая модель с учетом нелинейностей. 5. Рассчитаны необходимые коэффициенты. 6. Построены графики переходных процессов по положению и скорости. 7. Построены частотные характеристики гидропривода. 8. Определено время полного переброса нагрузки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Свешников, В. К. Станочные гидропривода/ В. К. Свешников. - Справочник. – М.: Машиностроение, 1995. – 448с.: ил. 2. Свешников, В. К. Гидрооборудование / В. К. Свешников; Международный справочник. – М.: Машиностроение, 2001. – в 3-х т.
Приложение 1
Приложение 2
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|