Материал: Гидропневмопривод специальных технических систем. Учебное пособие. Бородкин В.В., Болдырев А.И

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический

университет

В.В. Бородкин, а.И. Болдырев,

К.В. Бородкин

Гидропневмопривод специальных технических систем

Учебное пособие

Воронеж 2002

УДК 621.9 - 05

Гидропневмопривод специальных технических систем: Учеб. Пособие / в.В. Бородкин, а.И.Болдырев, к.В.Бородкин.-. Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2002. - 117 с.

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование» (рег. номер 273 тех/дс, приказ Министерства образования Российской Федерации от 02 марта 2000 г. № 686) к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по подготовке инженеров специальности 120100 «Технология машиностроения», цикл «Общепрофессиональные дисциплины», национально- региональный компонент (ОПД. Р. 01), дисциплина - гидропневмопривод специальных технических систем.

Рассмотрены особенности гидропневмопривода, используемого в технологии машиностроения, принципиальные конструктивные схемы элементов гидропневмосистем и их функциональные характеристики, приведены типовые схемы регулирования и управления.

Учебное пособие предназначено для преподавателей и студентов всех форм обучения специальности 120100.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD 97, содержится в файле УП ГПП.doc, объем файла 33,7 Мб.

Ил. 73, библиогр.: 15 назв.

Научный редактор - канд. техн. наук В.В. Бородкин

Рецензенты: кафедра гидравлики, водоснабжения и водоотведения Воронежского государственного архитектурно–строительного университета;

канд. техн. наук И.Т. Коптев

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.

 Бородкин В.В., Болдырев А.И.,

Бородкин К.В., 2002

 Оформление. Воронежский

государственный технический

университет, 2002

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов специальности 120100 «Технология машиностроения» и ориентировано на оказание им методической и практической помощи в изучении курса «Гидропневмопривод специальных технических систем».

Современные гидравлические и пневматические системы крайне разнообразны по принципу действия, назначению, конструкции устройств, составляющих систему, и по целому ряду других признаков. По своему назначению их можно разделить на системы, которые используют при управлении различными механизмами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс в этих объектах. Примерами систем первого класса могут служить системы, с помощью которых осуществляется управление технологическим оборудованием, приспособлениями и другими устройствами. Ко второму классу относятся системы смазки, охлаждения и обеспечения рабочего процесса при выполнении специальных технологических операций, например, при электрохимической обработке поверхностей деталей сложного профиля. Успешное изучение упомянутых гидравлических устройств невозможно без ознакомления с типовыми конструкциями элементов гидропневмоприводов, наиболее широко распространенных в промышленности схем гидропневмоприводов и методов их регулирования и управления.

1. Применение гидропневмосистем в практике изготовления продукции машиностроения

Системой называют совокупность каких-либо объектов, связанных определенными формами взаимодействия или взаимозависимости. Если объектами служат технические устройства, взаимодействие которых осуществляется с помощью жидкости или воздуха, то такие системы называют соответственно гидравлическими и пневматическими или сокращенно гидро- и пневмосистемами. Используемые в них жидкость и газ называются в дальнейшем рабочей средой, при этом к жидкостям отнесены те вещества, которые в гидромеханике в отличие от газов именуются капельными жидкостями.

Гидро- и пневмосистемы с давних пор используются в технике. С развитием фабричного производства возникла необходимость в передаче энергии на расстояние и в управлении машинами. Сначала для этого использовались механические устройства. В связи с усложнением производственных процессов для передачи энергии стали применяться воздух и жидкости под давлением.

В общем виде любой гидропривод можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.1. Эта схема упрощенно показывает основные элементы, входящие в состав гидропривода, их взаимосвязь, назначение и выходные рабочие параметры. Так, по схеме можно проследить преобразование энергии приводного электродвигателя в выполненную работу при движении рабочего органа станка. Основой гидропривода является гидропередача, в состав которой входят: 1 - входная гидравлическая машина - насос; 2 - выходная гидравлическая машина - гидродвигатель; 3 - гидролиния.

Рис. 1.1. Структурная схема гидропривода

В качестве гидродвигателей применяют различные гидромашины в зависимости от вида движения, которое необходимо получить: для прямолинейного возвратно-поступательного - гидроцилиндры; вращательного - гидромоторы и возвратно-поворотного - поворотные гидродвигатели. По типу применяемого гидродвигателя гидропривод также называют гидроприводом поступательного, вращательного или поворотного движения.

Между приводным двигателем и насосом может быть размещена входная механическая передача (редуктор) для изменения частоты вращения , полученной от выходного вала электродвигателя. Но чаще насос и приводной двигатель соединяют с помощью муфты. Выходную механическую передачу часто применяют для изменения вида движения или направления движения, осуществляемого гидродвигателем.

В общем случае входной вал насоса вращается с частотой , а создаваемый им поток рабочей жидкости характеризуется величиной расхода Q и давлением р. На выходном звене гидродвигателя нас интересуют прежде всего два параметра получаемого движения: скоростной и силовой. Для возвратно- поступательного движения: линейная скорость v₂ и усилие F₂, а для вращательного: частота вращения n₂ и крутящий момент М₂. При этом первый параметр определяет подачу насоса на основании уравнения неразрывности, а второй зависит от давления р.

Гидропривод осуществляет передачу энергии с двойной ее трансформацией: вначале механическая энергия, полученная от электродвигателя, превращается в насосе в энергию потока рабочей жидкости; потом в гидродвигателе происходит обратная трансформация: энергия рабочей жидкости преобразуется в механическую энергию на выходном звене гидродвигателя.

Такая трансформация ведет к неизбежным потерям части энергии. Эффективность работы привода с точки зрения полезного использования энергии можно оценить количественно по величине коэффициента полезного действия (КПД). Современные технические решения позволяют создавать гидроприводы, не уступающие по КПД электроприводам в области средних и больших мощностей, несмотря на потери энергии в процессе трансформации.

В настоящем учебном пособии приведены необходимые теоретические сведения, рассмотрены особенности гидропневмопривода, используемого в технологии машиностроения, принципиальные конструктивные схемы элементов гидропневмосистем и их функциональные характеристики, приведены типовые схемы регулирования и управления, дается необходимый список специальной и справочной литературы.

Учебное пособие полностью обеспечивает теоретический курс по данной дисциплине в соответствии с требованиями ГОС и рабочей программы.

Применяемые в технике гидравлические двигатели делят на объемные и динамические.

В объемных гидродвигателях перемещение или угол поворота выходного звена двигателя прямо пропорциональны объему рабочей жидкости, прошедшей через его рабочие камеры. Приводы, в которых используют объемные гидродвигатели, также называют объемными гидроприводами.

В динамических гидродвигателях механическое движение выходного звена создается за счет использования в основном кинетической энергии потока рабочей жидкости. Примером такого двигателя может служить турбина, на лопасти которой направляется струя жидкости под давлением. Динамические гидродвигатели применяют в приводах большой мощности, таких как трансмиссии автомобилей, тепловозов и др. В станках в основном применяют объемные гидроприводы, а динамические находят применение редко.

При реализации процессов технологии машиностроения основными объектами применения гидро- и пневмоприводов являются:

1) металлообрабатывающие станки, на которых производится обработка разнообразных деталей для всех отраслей машиностроения;

2) технологические приспособления и оснастка;

3) технологические процессы изготовления деталей;

4) средства комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.

1.1. Гидропневмоприводы металлообрабатывающих станков.

При обработке заготовок на современных металлообрабатывающих станках их рабочие органы и механизмы обеспечивают согласованные между собой перемещения заготовки и режущего инструмента, надежное крепление заготовки, автоматическую смену инструментов, снятие обработанной детали, установку заготовки и другие вспомогательные движения, т.е. в станке требуется приводить в движение большое число узлов и механизмов /1/. Устройства, выполняющие эти перемещения называют приводами. Под приводом подразумевают двигатель и те устройства, которые управляют его работой, изменяют скорость прямолинейного движения или частоту вращения рабочего органа, усилие или крутящий момент и т.д.

В современных металлообрабатывающих станках используют различные типы приводов /2, 3/ (электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные), применение которых зависит от многих факторов: назначения и технических требований к изготовляемым деталям, разновидности обрабатываемого материала, структуры принятого технологического процесса обработки, вида и типа производства, фактического уровня его развития и т.п.

В пневматических приводах используют двигатели, в которых механическое движение получается за счет использования энергии сжатого воздуха. Наиболее распространенный пневмодвигатель поступательного движения - пневмоцилиндр, отличающийся простотой конструкции, невысокой стоимостью и достаточной надежностью. Ограничением для применения пневмоприводов является использование в качестве рабочей среды сжатого воздуха. Из-за значительной сжимаемости воздуха затруднено регулирование и поддержание заданной скорости движения, получение равномерного движения рабочего органа при малых скоростях перемещения. Наибольшее распространение получили пневмоприводы, работающие при давлении около 0,4 - 0,6 МПа. Поэтому увеличение получаемых усилий возможно только за счет увеличения размеров пневмоцилиндров, что затрудняет их использование в конструкции станка. Указанные особенности пневмопривода определили область его наиболее рационального применения в станках - выполнение вспомогательных перемещений, а в промышленных роботах - рабочих перемещений узлов. В некоторых случаях используют и системы управления станками, построенные на пневматических логических элементах.

В гидравлических приводах для получения механического движения используют давление жидкости. Высокая подвижность и малая сжимаемость жидкостей позволяют с помощью простого по конструкции двигателя поступательного движения - гидроцилиндра - выполнить практически все требования, предъявляемые к движению рабочих органов в станках: по скорости, равномерности движения, усилиям, частоте переключений и др. Рабочие давления жидкости в гидроприводах станков значительно выше, чем давление сжатого воздуха в пневмоприводах, поэтому габаритные размеры гидравлических исполнительных механизмов соответственно меньше, чем пневматических, и они легче встраиваются в станок. Гидравлические двигатели вращательного движения также имеют меньшие размеры и массу на единицу мощности по сравнению с электродвигателями. Гидравлический привод удобно сочетается с другими типами приводов, электронными системами управления станками, а также имеет и другие преимущества, благодаря которым гидропривод является эффективным средством автоматизации станков и устройств, способствующих их более эффективному использованию (промышленных роботов, автоматизированных магазинов инструментов и складов продукции, устройств контроля размеров заготовок, деталей и др.).

По своему назначению гидравлический привод в станках делится на гидропривод главного движения, гидропривод подач и гидропривод вспомогательных перемещений /4/.

Приводы главного движения перемещают поступательно или вращают рабочие органы и узлы станков, которые несут на себе режущий инструмент или заготовку, причем это движение участвует в получении заданной формы детали и определяет при обработке скорость резания.

Приводы подач также перемещают рабочие органы или узлы станков, несущие инструмент или заготовку. Их движение также влияет на форму обрабатываемой поверхности детали, но скорость этих движений определяет только скорость подачи инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Приводы вспомогательных перемещений широко используют в станках для привода рабочих органов и узлов станка, движение которых не участвует при формообразовании детали. К гидроприводам вспомогательных перемещений обычно относят приводы зажимных устройств и устройств автоматической смены инструмента, транспортных и фиксирующих устройств, устройств перемещения измерительных приборов и др.

В станках гидродвигатели обычно размещают на рабочих органах или в непосредственной близости от них, а насосы - на гидробаках, при этом от одного насоса может питаться несколько гидродвигателей. В частном случае насос и гидромотор могут быть объединены в виде гидропередачи.

Все гидрооборудование можно разделить на три группы: гидромашины, гидроаппаратуру управления и вспомогательные гидравлические устройства. К первой относят гидродвигатели и насосы. Во вторую группу входят различные клапаны, распределители, дроссели, реле давления, регуляторы и др. Надежная работа гидропривода и станка обеспечивается при условии, что в гидросистеме поддерживается требуемое качество рабочей жидкости. Для этого служат устройства кондиционирования жидкости: фильтрующие устройства (фильтры), очищающие рабочую жидкость от механических загрязнений; устройства регулирования и поддержания температуры жидкости (теплообменники, нагревательные элементы, терморегуляторы) и др. Все они относятся к группе вспомогательных устройств (третья группа). В эту же группу входят и устройства для хранения и передвижения рабочей жидкости: гидробаки, трубопроводы, уплотнения и соединительные элементы. Для удобства компоновки и обслуживания гидропривода гидробак, насосный агрегат и устройства кондиционирования рабочей жидкости обычно объединяют конструктивно в виде гидравлической установки, которую располагают рядом со станком. На гидравлической установке по возможности размещают также манометр и гидроаппаратуру управления: предохранительные, обратные клапаны и др.

1.2. Гидроприводы станочных приспособлений и технологической оснастки.

Станочными приспособлениями называют дополнительные устройства к металлорежущим станкам, позволяющие наиболее экономично в заданных производственных условиях обеспечить заложенные в конструкции детали требования к точности размеров, формы и взаимного положения обрабатываемых поверхностей /5, 6/.

К станочным приспособлениям относятся: устройства для установки и закрепления обрабатываемых деталей на станках (приспособления), устройства для установки и крепления режущего инструмента на станках (вспомогательный инструмент) и др.

В настоящее время механизируют, а во многих случаях и автоматизируют, установку и закрепление обрабатываемых деталей, поворот приспособлений в процессе обработки, снятие обработанных деталей со станков, транспортировку их для последующей обработки и др. Для этих целей в отечественном крупносерийном и массовом производствах широко используется сжатый воздух, жидкости под давлением, электроэнергия и др. /7/. Наиболее широко используется сжатый воздух (пневматика), так как пневматические устройства, например пневматические приводы приспособлений, отличаются быстротой действия, относительной простотой конструкции, легкостью и простотой управления, надежностью и стабильностью в работе.

По быстроте действия пневмоприводы значительно превосходят не только ручные, но и многие механизированные приводы. Если, например, скорость течения масла, находящегося под давлением в трубопроводе гидравлического устройства, составляет 2,5 - 4,5 м/сек, а максимально возможная - 9 м/сек, то воздух, находясь под давлением 4 - 5 кг/см², распространяется по трубопроводам со скоростью до 180 м/сек и более. Поэтому в течение 1 ч возможно осуществить до 2500 срабатываний пневмопривода.