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
имени В. А. Дегтярёва»

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

Вариант
Назначение привода		Привод замыкания
Параметры гидроцилиндра	Диаметр поршня, мм
	Диаметр штока, мм
	Ход, мм
Нагрузка на гидроцилиндре, кг
Расход рабочей жидкости, л/мин
Рабочее давление, МПа
Рабочая жидкость		ИГП-30

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

Рабочий объем, см³
Подача насоса, л/мин
Номинальное давление, МПа
Максимальное давление, МПа
Номинальная частота вращения вала насоса, об/мин
Минимальная частота вращения вала насоса, об/мин
Максимальная частота вращения вала насоса, об/мин
Объемный КПД насоса	0, 88
Полный КПД насоса	0, 78

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

Поз. обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
ГЦ	Гидроцилинд ЦГ – 125. 80х340. 11-01.
РГ	Гидрораспределитель В1-
Н	Насос пластинчатый регулируемый НПлР20/16
М	Электродвигатель ПБ22М
КП	Клапан предохранительный Г54-32М

Приложение 2