Расчет параметров рабочего цикла агрегатного станка

Расчет параметров рабочего цикла агрегатного станка

Курсовая работа

по дисциплине Гидравлика

Расчет параметров рабочего цикла агрегатного станка

Введение

В современном машиностроении, где часто меняется объект производства, проявляется противоречие между сроками изготовления специальных станков и их высокой себестоимостью, с одной стороны, и сроками смены объекта и требованиями к понижению его себестоимости, с другой стороны.

Эффективным решением этого вопроса является метод создания специального и специализированного оборудования из нормализованных узлов (агрегатов), которые могут быть скомпонованы соответственно характеру обрабатываемой детали.

Этот метод получил название - принцип агрегатирования, а станки, созданные по этому принципу, названы агрегатными.

Исходное положение принципа агрегатирования металлорежущих станков заключается в заблаговременной разработке конструкции, изготовлении и тщательной отработке опытных образцов отдельных агрегатов - нормализованных узлов. При наличии нормализованных узлов общепринятый процесс проектирования агрегатных станков превращается в процесс компоновки этих станков из нормализованных узлов.

Так как агрегатные станки являются станками специальными, то в их состав, кроме нормализованных узлов, входят специальные узлы; поэтому процесс компоновки агрегатных станков сочетается с обычным процессом проектирования некоторых оригинальных узлов.

Основным узлом, определяющим надежность работы гидравлической силовой головки, является гидропривод, обеспечивающий стабильность установленной скорости подачи независимо от колебаний нагрузки, от сил трения и сил резания, действующих на силовую головку.

Надежная работа гидропривода в значительной степени определяется вязкостью масла и ее зависимостью от температуры, так как изменение вязкости при нагреве масла приводит к колебаниям режимов работы гидроприводов станков. В гидроприводах с нерегулируемым насосом температура масла повышается за счет слива его в бак через клапаны и утечек в насосе.

Важным условием безотказной работы гидропривода является чистота масла, которое нужно менять не реже одного раза в 4-6 месяцев.

1. Структура и принцип действия гидравлического привода подач силовой головки агрегатного станка

Цикл работы агрегатной силовой головки включает ускоренный ее подвод к заготовке, рабочую подачу, выстой на упоре и ускоренный отвод в исходное положение. Принципиальная схема гидропривода подачи силовой головки агрегатного станка приведена на рисунке 1.1.

При включении электромагнита Y2 масло под давлением от насоса 1 подводится через золотниковый гидрораспределитель 2 в штоковую полость силового гидроцилиндра 3 привода агрегатной головки. Агрегатная головка ускоренно перемещается влево, при этом масло из поршневой полости гидроцилиндра 3 через гидролинию, открытый золотник ускоренных ходов 4, дроссель скорости ускоренных перемещений 7 и гидрораспределитель 2 вытесняется в масляный бак. В конце ускоренного подвода кулачок, установленный на агрегатной головке, нажимает на ролик золотникового устройства 4 и плавно перекрывает проход масла через проточки золотника 4. Поэтому в дальнейшем масло из поршневой полости гидроцилиндра 3 может вытесняться только через регулятор потока 5, который отрегулирован на расход, соответствующий рабочей подаче агрегатной головки.

Агрегатная головка движется с рабочей подачей, инструмент обрабатывает деталь, а в конце рабочего хода головка доходит до жесткого упора. При этом дается некоторое время на выстой на упоре для зачистки обработанных торцовых поверхностей.

После выстоя отключается электромагнит Y2 и включается электромагнит Y1. Гидрораспределитель 2 переключается в положение, при котором масло под давлением от насоса 1 через гидролинию, дроссель скорости ускоренных перемещений 7, обратный клапан 6 подводится в поршневую полость гидроцилиндра 3, а штоковая полость гидроцилиндра 3 через гидрораспределитель 2 сообщается гидролинией со сливом в масляный бак. Агрегатная головка ускоренно отводится вправо до исходного положения, где подается команда на отключение электромагнита Y1. При этом пружины, устанавливают золотник гидрораспределителя 2 в среднем положение, обе полости гидроцилиндра 3 соединяются со сливной магистралью и агрегатная головка останавливается. Далее цикл повторяется.

- Насос; 2- золотниковый гидрораспределитель; 3 - силовой гидроцилиндр; 4 - открытый золотник ускоренных ходов; 5 - регулятор потока; 6 - обратный клапан; 7 - дроссель скорости ускоренных перемещений

Рисунок 1.1- Схема гидропривода подачи силовой головки агрегатного станка

2. Расчет гидродинамических параметров агрегатного станка при выполнении операции ускоренный подвода силовой головки к заготовке

В соответствии с принципиальной гидравлической схемой, приведенной на рисунке 1.1, при включении электромагнита Y2 масло под давлением от насоса 1 подводится через золотниковый гидрораспределитель 2 в штоковую полость силового гидроцилиндра 3 привода агрегатной головки. Агрегатная головка ускоренно перемещается влево, при этом масло из поршневой полости гидроцилиндра 3 через гидролинию, открытый золотник ускоренных ходов 4, дроссель скорости ускоренных перемещений 7 и гидрораспределитель 2 вытесняется в масляный бак. В конце ускоренного подвода кулачок, установленный на агрегатной головке, нажимает на ролик золотникового устройства 4 и плавно перекрывает проход масла через проточки золотника 4.

Насос 1 с объемным КПД η₀=0,8 при подаче Q=30 л/мин обладает номинальным давлением p_н =20 МПа. Характеристика переливного клапана (линейная): при  при К.П.Д. гидродвигателя 3 - .

Величина Q_н в соответствии с заданием составляет значение

_н=30 ∙ 10^-3 / 60=0,5 ∙ 10^-3 (м³/с) ,               (2.1)

Определим теоретическую подачу насоса Q_т. Она равна

_т= Q_н / η₀=( Q_т- ΔQ_ут)/ Q_т                                              (2.2)

ΔQ_ут = (1- η₀) ∙ Q_т =0,2 ∙ 0,5 ∙ 10^-3 =0,6(м³/с) .             (2.3)

Строим расходную характеристику насоса 1 (рисунок 2.2).

Для нахождения гидродинамических параметров привода в период выполнения операции ускоренный подвод силовой головки к заготовке преобразуем принципиальную гидравлическую схему агрегатного станка к эквивалентной расчетной схеме (рисунок 2.1).

Данная эквивалентная расчетная схема содержит два простых участка трубопроводов (1-3 и ), соединенных последовательно. На концах трубопровода (1-3 и ) воспринимается нагрузка от гидравлического цилиндра, нагруженного внешней силой R_хх (силой сопротивления движению).

Рисунок 2.1 - Эквивалентная расчетная схема гидропривода подачи силовой головки агрегатного станка в период выполнения операции ускоренный подвод силовой головки к заготовке

Составив уравнение движения штока поршня

 ,                              (2.4)

где S_п = π ∙ D_п² /4 - площадь поршня,

S_ш = π ∙ (D_п² - D_ш²) / 4

площадь поршня со стороны штока,

η_гц - КПД гидроцилиндра.

Следовательно

 .                       (2.5)

Взаимосвязь давлений на концах простого трубопровода 1-3 описывается уравнением

 ,         (2.6)

где  - гидравлические потери на трение и местные сопротивления, зависящие от режима течения жидкости в трубопроводе и определяемые по уравнению

  (2.7)

Для простого трубопровода 1-3 расход рабочей жидкости  равен подаче насоса , т. е.

.            (2.8)

При ламинарном режиме течения жидкости () величина показателя степени m=1, а коэффициент  определяется выражением

,           (2.9)

где  - плотность и кинематический коэффициент вязкости жидкости;

l, d - суммарная длина и диаметр простого трубопровода 1-3;

эквивалентная длина трубопровода;

 - суммарное значение коэффициента местных сопротивлений на участке простого трубопровода 1-3;

 - гидравлический коэффициент трения.

При турбулентном режиме течения жидкости в простом трубопроводе 1-3 () величина показателя степени m=2, а коэффициент  определяется в виде

. (2.10)

Аналогично определим взаимосвязь давлений и подач

; (2.11)

,    (2.12)

Скорость перемещения в цилиндре одинаковая, отсюда следует

 ,    (2.13)

.              (2.14)

Решая совместно уравнения, находим

.              (2.15)

Анализ уравнения (2.15) показывает, что давление на выходе из насоса складывается из статической нагрузки на гидроцилиндре  и суммы потерь давления в простых трубопроводах 1-3 и  (суммы характеристик простых трубопроводов, соединенных последовательно).

Определим критический поток при R_кр=2300

,(2.16)

 (м³/с).(2.17)

Эквивалентные длины трубопроводов 1-3 и равны

,        

 (м),    (2.19)

(м).

При ламинарном режиме течения жидкости () величина показателя степени m=1, а коэффициент  определяется выражением

( Н∙с/м⁵)

( Н∙с/м⁵)

Движение жидкости турбулентное, m=2. Расчет ведем по формуле (2.10), где

     (2.20)

 , (2.21)

 .          (2.22)

Следовательно

 (м), (2.23)

, (2.24)

,   (2.25)

 (м),  (2.26)

,    (2.27)

(Н∙с/м⁵),  (2.28)

 (Н∙с/м⁵) .     (2.29)

Вычислим статическую нагрузку на гидроцилиндре

,  (2.30)

 (Па) 0,222 (МПа). (2.31)

Воспользовавшись графо-аналитическим методом, рассчитаем значения гидродинамических параметров простых трубопроводов с учетом корректирующих поправок (таблица 2.1), построим их характеристики (рисунок 2.2) и, после графического сложения характеристик простых трубопроводов, получим суммарную характеристику потребного давления.

Таблица 2.1 - Расчет гидродинамических параметров простых трубопроводов

№ трубопроводов               ,м³/с,

Н∙с/м⁵ МПаМПа,

Рисунок 2.2 - Гидродинамические характеристики гидропривода при выполнении операции ускоренный подвод силовой головки к заготовке

Точка пересечения характеристик потребного давления гидросети и насоса (рабочая точка А, рисунок 2.2) будет описывать условия их совместной работы в период выполнения операции ускоренный подвода силовой головки к заготовке.

Характеристики рабочей точки А при выполнении операции ускоренный подвод силовой головки к заготовке в соответствии с рисунком 2.2 составляют: , .

Мощность гидропривода, затрачиваемая на выполнение данной операции, находится по формуле

,   (2.32)

.       (2.33)

Скорость перемещения шток-поршня при выполнении операции равна

,        (2.34)

 ,       (2.35)

.     (2.36)

Следовательно

 (м²), (2.37)

 (м²), (2.38)

Полезная мощность гидропривода при выполнении операции равна

,         (2.40)

.        (2.41)

КПД гидропривода при выполнении данной операции составляет

 ,          (2.42)

.  (2.43)

Длительность перемещения находится по формуле

 ,     (2.44)

.      (2.45)

. Расчет гидродинамических параметров агрегатного станка при выполнении операции рабочей подачи агрегатной головки

В соответствии с принципиальной гидравлической схемой, приведенной на рисунке 1.1, масло из поршневой полости гидроцилиндра 3 может вытесняться только через регулятор потока 5, который отрегулирован на расход, соответствующий рабочей подаче агрегатной головки.

Агрегатная головка движется с рабочей подачей, инструмент обрабатывает деталь, а в конце рабочего хода головка доходит до жесткого упора. гидравлический привод агрегатный станок

Преобразуем принципиальную гидравлическую схему агрегатного станка к эквивалентной расчетной схеме (рисунок 3.1). Исходя из этого, имеем два простых участка трубопровода 1-3 и , соединенных последовательно. Трубопроводы соединены между собой через гидроцилиндр 3, который в данном случае можно рассматривать как местное сопротивление , равное

,     (3.1)

откуда

   (3.2)

, (3.3)

 .   (3.4)

Взаимосвязь давлений на концах простого трубопровода 1-3 описывается уравнением

 , (3.5)

.    (3.6)

Для простого трубопровода 1-3 расход рабочей жидкости  равен подаче насоса , т. е.

.           (3.7)

Аналогично для трубопровода

.   (3.8)

Расход рабочей жидкости в простых трубопроводах 1-3 и  будут связаны между собой

         (3.9)

Рисунок 3.1 -Эквивалентная расчетная схема гидропривода при выполнении операции рабочей подачи силовой головки

Исходя из формулы (3.3) и (3.4) имеем, что

 (м²),        (3.10)

(м²).  (3.11)

Поскольку давление на выходе из насоса р₁ равно сумме давлений на входе в насос и р_н, развиваемого насосом, т.е.

,     (3.12)

то, решая совместно уравнения находим, что

,       (3.13)

. (3.14)

Давление в насосе р_н складывается из суммы статической нагрузки на силовом гидроцилиндре  и потерь давления в простых трубопроводах 1-3 и .

Определим критический поток при R_кр=2300

,      (3.15)

 (м³/с).         (3.16)

Эквивалентные длины трубопроводов 1-3 и равны

, (3.17)

,      (3.18)

(3.19)

     (3.20)

Следовательно

(м),      (3.21)

(м).     (3.22)

Гидравлический коэффициент трения будет равен

         (3.23)

       (3.24)

      (3.25)

.    (3.26)

Движение жидкости ламинарное, m=1. Расчет ведем по формуле (2.10)

 ( Н∙с/м⁵)

( Н∙с/м⁵)

Движение жидкости турбулентное, m=2. Расчет ведем по формулам

       (3.27)

    (3.28)

       (3.29)

      (3.30)

(м),   (3.31)

(м).       (3.32)

Следовательно

(Н∙с/м⁵),  (3.33)

(Н∙с/м⁵). (3.34)

Вычислим статическую нагрузку на гидроцилиндре

,      (3.35)

Воспользовавшись графо-аналитическим методом, рассчитаем значения гидродинамических параметров простых трубопроводов с учетом корректирующих поправок (таблица 3.1), построим их характеристики (рисунок 3.2) и, после графического сложения характеристик простых трубопроводов, получим суммарную характеристику потребного давления.

Таблица 3.1 - Значения гидродинамических параметров

№ трубопроводов               ,м³/с,

Н∙с/м⁵ МПаМПа,

Рисунок 3.2 - Гидродинамические характеристики гидропривода при выполнении операции рабочей подачи силовой головки

Точка пересечения характеристик потребного давления гидросети и насоса (рабочая точка А, рисунок 3.2) будет описывать условия их совместной работы в период выполнения операции рабочей подачи агрегатной головки.

Характеристики рабочей точки А при выполнении операции рабочей подачи агрегатной головки в соответствии с рисунком 3.2 составляют: , .

Мощность гидропривода, затрачиваемая на выполнение данной операции, находится по формуле

,   (3.37)

.      (3.38)

Скорость перемещения шток-поршня при выполнении операции равна

, (3.39)

(м/с). (3.40)

Полезная мощность гидропривода при выполнении операции равна

, (3.41)

.      (3.42)

КПД гидропривода при выполнении данной операции составляет

 ,          (3.43)

.    (3.45)

Длительность перемещения находится по формуле

 ,    (3.46)

.   (2.47)

4. Расчет гидродинамических параметров агрегатного станка при выполнении операции ускоренный отвод агрегатной силовой головки

В соответствии с принципиальной гидравлической схемой, приведенной на рисунке 1.1, после выстоя отключается электромагнит Y2 и включается электромагнит Y1. Гидрораспределитель 2 переключается в положение, при котором масло под давлением от насоса 1 через гидролинию, дроссель скорости ускоренных перемещений 7, обратный клапан 6 подводится в поршневую полость гидроцилиндра 3, а штоковая полость гидроцилиндра 3 через гидрораспределитель 2 сообщается гидролинией со сливом в масляный бак. Агрегатная головка ускоренно отводится вправо до исходного положения, где подается команда на отключение электромагнита Y1. При этом пружины устанавливают золотник гидрораспределителя 2 в среднее положение, обе полости гидроцилиндра 3 соединяются со сливной магистралью и агрегатная головка останавливается.

Преобразуем принципиальную гидравлическую схему агрегатного станка к эквивалентной расчетной схеме (рисунок 4.1). Исходя из этого, имеем два простых участка трубопровода  и 3-2, соединенных последовательно. На концах трубопроводы воспринимают нагрузку от гидроцилиндра, нагруженной внешней силой R_xx, которая определяется из уравнения

,    (4.1)

    (4.2)

Взаимосвязь давлений на концах простого трубопровода описывается уравнением

.       (4.3)

Для простого трубопровода  расход рабочей жидкости  равен подаче насоса , т. е.

.           (4.4)

Аналогично давление на концах трубопровода 3-1

.     (4.5)

Величина расхода рабочей жидкости в простом трубопроводе 3-2 будет равна

         (4.6)

,         (4.7)

 .    (4.8)

Рисунок 4.1 - Эквивалентная расчетная схема гидропривода подачи силовой головки агрегатного станка при выполнении операции ускоренный отвод агрегатной силовой головки

 (м²),          (4.9)

(м²),  (4.10)

Решая совместно уравнения, находим, что

. (4.11)

Анализ показывает, что давление на выходе из насоса р₁ складывается из суммы статической нагрузки на гидроцилиндре  и потерь давления в простых трубопроводах и 3-2.

Определим критический поток при R_кр=2300

,      (4.12)

 (м³/с).         (4.13)

Эквивалентные длины трубопроводов и 3-2 равны

, (4.14)

,       (4.15)

         (4.16)

       (4.17)

Следовательно

         (4.18)

       (419)

(м),      (4.20)

(м).     (4.21)

Гидравлический коэффициент трения будет равен

        (4.22)

        (4.23)

    (4.24)

.      (4.25)

Движение жидкости ламинарное, m=1. Расчет ведем по формуле (2.10)

( Н∙с/м⁵)

( Н∙с/м⁵)

Движение жидкости турбулентное, m=2. Расчет ведем по формулам

      (4.26)

      (4.27)

         (4.28)

     (4.29)

(м),      (4.30)

(м).   (4.31)

Следовательно

(Н∙с/м⁵),      (4.32)

(Н∙с/м⁵). (4.33)

Вычислим статическую нагрузку на гидроцилиндре

,      (4.34)

 0,113(МПа).    (4.35)

Воспользовавшись графо-аналитическим методом, рассчитаем значения гидродинамических параметров простых трубопроводов с учетом корректирующих поправок (таблица 4.1), построим их характеристики (рисунок 4.2) и, после графического сложения характеристик простых трубопроводов, получим суммарную характеристику потребного давления.

Таблица 4.1 - Значения гидродинамических параметров

№ трубопроводов               ,м³/с,

Н∙с/м⁵ МПаМПа,

Рисунок 4.2 - Гидродинамические характеристики гидропривода при выполнении операции ускоренный отвод агрегатной силовой головки

Точка пересечения характеристик потребного давления гидросети и насоса (рабочая точка А, рисунок 4.2) будет описывать условия их совместной работы в период выполнения операции ускоренный отвод агрегатной силовой головки.

Характеристики рабочей точки А при выполнении операции рабочей подачи агрегатной головки в соответствии с рисунком 4.2 составляют: , .

Мощность гидропривода, затрачиваемая на выполнение данной операции, находится по формуле

,   (4.36)

.      (4.37)

Скорость перемещения шток-поршня при выполнении операции равна

,      (4.38)

(м/с).        (4.39)

Полезная мощность гидропривода при выполнении операции равна

, (4.40)

.    (4.41)

КПД гидропривода при выполнении данной операции составляет

,  (4.42)

. (4.43)

Длительность перемещения находится по формуле

,       (4.44)

.    (4.45)

5. Расчет теплообменника

Гидравлические потери в гидроприводе станка трансформируются в тепло, передаваемое рабочей жидкости. Чтобы рассеять выделяющуюся теплоту и обеспечить температуру рабочей жидкости не свыше  при естественном теплообмене необходимо иметь достаточные размеры гидравлического бака.

Объем  масла в гидробаке, который необходим для рассеяния теплоты  в единицу времени при условии, что температура рабочей жидкости будет не более, чем на  превышать температуру окружающего воздуха, можно приближенно определить по формуле

, (5.1)

где  - ;  - ;  - .

Среднее количество теплоты , выделяемой в гидросистеме в единицу времени, найдем по уравнению

 (5.2)

 (5.3)

Подставляя значение  из выражения (5.3) в уравнение (5.1), найдем

. (5.4)

Поскольку необходимый для естественного (конвективного) теплообмена объем масляного бака не превышает типовых объемов стандартных гидростанций (), то для охлаждения жидкости до рабочих температур  применение дополнительных теплообменников не требуется.

6. Построение циклограмм

Рисунок 6.1 а - Циклограммы гидропривода Q=f(t)

Рисунок 6.1 б - Циклограммы гидропривода p=f(t)

Рисунок 6.1 в - Циклограммы гидропривода p=f(Q)

Заключение

В курсовом проекте изучена принципиальная гидравлическая схема агрегатного станка и на ее основе построены эквивалентные расчетные схемы.

Используя графо-аналитический метод расчета параметров гидропривода, определены характеристики магистралей и сети в целом. Установлены параметры рабочих точек по операциям цикла, дана оценка параметров потребляемой и развиваемой мощностей, а также КПД гидропривода по операциям цикла.

Определено среднее количество теплоты, выделяемой в гидросистеме в единицу времени и определены размеры масляного бака, необходимого для конвективного охлаждения рабочей жидкости.

Выполнение курсового проекта позволило закрепить и расширить знания, полученные на лекциях, лабораторных и практических занятиях.

Литература

. Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы./ Справочник. М.: Машиностроение, 1982. - 464 с.

. Пневматические устройства и системы в машиностроении./ Справочник. Под ред. Е.В. Герц. М.: Машиностроение, 1981.- 408 с.

. Столбов Л.С. и др. Основы гидравлики и гидропривод станков. М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

. Курсовое проектирование. Организация, порядок проведения. Оформление расчетно-пояснительной записки и графической части. Стандарт предприятия. СТП ВГТУ 001 - 98. Воронеж: ВГТУ, 1998. - 49 с. (рег.ном.62-2007).