сотрудник
сотрудник
сотрудник
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
В статье рассматривается процесс дроссельного регулирования скорости перемещения поршня гидроцилиндра, двухстороннего действия, при опускании стрелы с грузом грузоподъёмного механизма, обеспечивающий неразрывность потока рабочей жидкости. Дроссельное регулирование гидравлического привода, с энергетической позиции, является бесперспективным, но достаточно большой ряд задач объёмного гидропривода трудно разрешить без его применения на практике. Изменение эффективного сечения потока через гидравлический дроссель, включённый последовательно гидродвигателю на выходе, в зависимости от внешней нагрузки имеет не линейный характер. Такое положение характеризуется отсутствием стационарности геометрических параметров кинематической схемы. Движение рабочей жидкости, через дроссель, сопровождается перепадом давления, выполняя функцию торможения подвижных элементов гидравлических двигателей и элементов конструкции машины. Величина тормозного усилия неизбежно связана с явлением неразрывности потока связывающего производительность насоса и эффективное сечение дросселя. Наилучшей практической иллюстрацией работы дросселя в качестве динамически адаптивного тормозного устройства служит грузоподъёмный механизм. Приведенная методика позволяет определить эффективную площадь проходного отверстия дросселя, установленного на выходе из гидродвигателя, в зависимости от внешних параметров, кинематической схемы опускаемого груза и любого положения грузоподъёмного механизма.
гидравлический привод, грузоподъёмный механизм, кинематика, давление, дроссель
При проектировании грузоподъемных гидрофицированных машин, необходимо обеспечить скорость опускания поршня гидроцилиндра, удовлетворяющую условию неразрывности потока рабочей жидкости.
В статье рассматривается дроссельное регулирование, обеспечивающее неразрывность потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра при опускании, грузоподъёмного механизма, под действием статических и динамических нагрузок (рис. 1).
В настоящей статье рассматривается вопрос дроссельного регулирования скорости опускания стрелы грузоподъемного механизма, под действием приведенного веса всех подвижных элементов системы.
Для опускания стрелы рабочая жидкость от насоса через гидрораспределитель подаётся в штоковую полость гидроцилиндра, а из поршневой полости вытесняется через дроссель в бак.
Опускание стрелы должно происходить в условиях неразрывности потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра. С этой целью на выходе из поршневой полости гидроцилиндра устанавливается дроссель. При постоянной производительности насоса Qн, скорость поршня vп постоянна. Такое условие обеспечивает неразрывность потока [3, 5].
Скорость поршня определяется из выражения:
(1)
где 
– скорость движения поршня гидроцилиндра, м/с; 
– подача насоса, м3/с; 
– площадь штоковой полости гидроцилиндра, м2.
Расход рабочей жидкости из поршневой полости гидроцилиндра, проходящий через дроссель:
(2)
где 
– площадь поршня, м2.
Скорость перемещения поршня в выражении (2) подставим из выражения (1), получим:
(3)
Заменим:
(4)
Тогда выражение (4) примет вид:
(5)
Расход рабочей жидкости, проходящей через дроссельное отверстие, также можно определить из выражения [3, 4, 5,]:
(6)
где 
– коэффициент расхода рабочей жидкости; 
– площадь отверстия дросселя, м2; 
– перепад давления, Па.
(7)
где 
– давление перед дросселем, Па, 
– давление за дросселем, Па. Давление, вызванное гидравлическими потерями в линии за дросселем; ρ – плотность рабочей жидкости, кг/м3.
|
|
|
Рис. 1. Принципиальная кинематическая и гидравлическая схемы грузоподъёмного механизма l – длина стрелы, м; L – расстояние от оси вращения стрелы до равнодействующей веса груза с захватом, м; Gпр – приведенный вес груза и технологического оборудования к точке “С” [1, 2, 6], м; a, b, c – стороны треугольника ВСД; a и b – const; с – переменная; ДР – дроссель с обратным клапаном.
|
Дроссель с обратным клапаном установлен на корпусе гидроцилиндра, поэтому давление в поршневой полости гидроцилиндра и перед дросселем равны. Ввиду относительно небольшой величины потерь давления на сливе за дросселем в дальнейших расчётах учитываем только давление на входе в дроссель, тогда уравнение (6) выразим в следующем виде:
(8)
При значительных потерях за дросселем величина потерь давления определяется из выражения:
(9)
где 
– сумма потерь давления на трение по длине прямых участков трубопровода, Па; 
– коэффициент кинетической энергии; 
– величина средней скорости, м/с; 
– сумма всех коэффициентов местных сопротивлений элемента.
Для определения величины отверстия дросселя необходимо найти давления перед дросселем Рп. С этой целью составим уравнение динамического равновесия грузоподъёмного механизма [1, 7, 8]:
, (10)
где 
– усилие, действующее на шток гидроцилиндра, Н; 
– приведенный момент инерции грузоподъёмного механизма относительно точки вращения “B”, кг∙м2; ω – угловая скорость стрелы, с-1; 
– плечо, действия силы , м; 
– плечо, действия приведенного веса 
, м.
Учитывая малое значение третьего слагаемого в начале разгона можно записать [6, 8, 10]:
(11)
При составлении уравнения динамического равновесия не учтена энергия поступательного движения штока и поршня гидроцилиндра, ввиду незначительной их массы и скорости.
Усилие гидроцилиндра:
(12)
где D – диаметр поршня гидроцилиндра, м.
Преобразуем уравнение (11) с учётом (12):
(13)
Преобразуем (13) относительно :
(14)
Примем обозначения:
; 
. (15)
Уравнение (15) запишем в следующем виде:
(16)
, (17)
(18)
Значение угла 
определим из треугольника ВСD.
, (19)
, (20)
Обозначим:
, (21)
Выражение (20) примет вид:
, (22)
, (23)
Выражение (17) примет вид:
, (24)
Угловая скорость стрелы:
, (25)
где, -скорость точки «С».
, (26)
Угловая скорость стрелы с учётом выражения (26):
, (27)
В выражении (16) произведём подстановку из выражений (18), (24):
(28)
Изменения давления, в процессе опускания стрелы, описывается системой уравнений:
, (29)
Система уравнений (29) равносильна следующему уравнению относительно следующей функции :
(30)
или
(31)
Коэффициент расхода для малого круглого отверстия с острой кромкой при значении числа Рейнольдса 
, можно принимать 
, [3, 5, 7, 9], тогда, диаметр отверстия дросселя, обеспечивающий неразрывность потока рабочей жидкости, в гидроцилиндре грузоподъёмного механизма:
(32)
где 
– перепад давления на дросселе, Па. В данном случаи 
Для обеспечения неразрывности потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра на выходе из поршневой полости устанавливается не регулируемый дроссель, диаметр отверстия которого принимается расчётно-минимальным, или устанавливают клапан обратный управляемый.
Для стабилизации скорости движения поршня применяются специальные регуляторы расхода, при помощи которых можно установить и автоматически поддерживать постоянную скорость перемещения поршня при опускании стрелы независимо от характера изменения нагрузки на штоке. Основным элементом регуляторов расхода является дроссель.
Выводы. Приведенный алгоритм на стадии проектирования, позволяет определить необходимую площадь отверстия дросселя, которая обеспечит условие неразрывности потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра при опускании стрелы грузоподъемного механизма.
1. Артоболевский И.И. Теория механиз-мов и машин: Учеб. для втузов. 4-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 640 с.
2. Абрамов В.В. Щеглов Е.М. Приведе-ние сил и масс к оси гидроцилиндра при подъеме стрелы гусеничного погрузчика. Вестник Красноярского государственного университета. Вып.18. г. Гидропривод машин различного технологического назначения / Под ред. С.В. Каверзина, Ж. Жоржа. Красно-ярск: КГТУ, 2000. С. 21–27.
3. Башта Т.М., и др. Объемные гидравли-ческие привода. М., Машиностроение, 1982. 628 с.
4. Бутаев Д.А. Сборник задач по маши-ностроительной гидравлике.: М. Машино-строение, 1972. 472 с.
5. Гавриленко Б.А., Минин В.А., Рожде-ственский С.Н. Гидравлический привод.: М., Машиностроение, 1969. 502 с.
6. Журавлёв В.Ф., Основы теоретической механики: Изд., 2-е, перераб. М.: Издатель-ство физико-математической литературы, 2001. 320 с. ISBN 5-94052 -041-3.
7. Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шей-пак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод. Учебник. Ч. 2. Гидравлические машины и гидропневмопривод / Под ред. А.А. Шейпака. М.: МГИУ, 2003. 352 с.
8. Мельников В.Г. Дроссельное регули-рование скорости опускания стрелы грузо-подъёмного механизма // Строительные и до-рожные машины. 2015. №7. С 32–34.
9. Никитин О.Ф. Гидравлика и гидроп-невмопривод: учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во МГТУим. Н. Э. Баумана, 2012. 430 с.
10. Тарг С.М., Краткий курс теоре-тической механики: Учебн. для втузов. 10-е изд, перераб. и доп. М.: Высш. шк.,1986. 416 с.
