Разработка гидропривода главного вращательногодвижения металлорежущих станков

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРИВОДУ ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

1.1 Обеспечение типовой предельной характеристики нагрузки

1.2 Высокие статические свойства: жесткие механические характеристики, равномерность вращения шпинделя

1.3 Высокие динамические свойства привода

2. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ

2.1 Дроссельное регулирование

2.1.1 Дроссельное регулирование гидропривода при последовательном включении дросселя

2.1.2 Дроссельное регулирование гидропривода при параллельном включении дросселя

2.2 Объемное регулирование скорости

2.2.1 Регулирование скорости с помощью изменения рабочего объема насоса

2.2.2 Регулирование скорости с помощью изменения рабочего объема гидродвигателя

2.2.3 Регулирование с помощью изменения рабочих объемов насоса и гидродвигателя

2.2.4 Объемно-дроссельное регулирование

2.2.5 Сравнение способов регулирования скорости гидроприводов

3. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ В ГИДРОПРИВОДЕ ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ

3.1 Преимущества применения сверхвысоких давлений

4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ГИДРОПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ ТОКАРНОГО СТАНКА

5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГИДРОМОТОРА

5.1 Гидравлический расчет клапанов

6. ИССЛЕДОВАНИЕ КЛАПАНОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ГИДРОМОТОРЕ

6.1 Расчет профиля кулачка

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим требованием, предъявляемым к любому станку, является возможность обеспечения требуемого качества обработанных поверхностей при высокой производительности. Применение механических ступенчатых коробок скоростей удовлетворяют большинству необходимых условий работы станка при сравнительно узком диапазоне скоростей. С ростом же скоростей резания и расширением диапазона скоростей, необходимых для высокопроизводительной обработки, становятся очевидными недостатки механических коробок скоростей [1].

Бесступенчато регулируемые приводы позволяют на ходу станка и в процессе резания с высокой точностью и быстродействием изменить скорость главного движения и подачи в соответствии с заданной программой или определенным законом регулирования, обеспечивая тем самым работу станка с наиболее выгодными режимами резания, повышение его производительности за счет сокращения как машинного, так и вспомогательного времени, повышения качества обработанных поверхностей. Бесступенчато регулируемые приводы позволяют также оптимизировать переходные процессы при разгоне, торможении, реверсировании рабочих органов станка, что дополнительно сокращает вспомогательное время, снижает динамические нагрузки в механизмах и увеличивает их долговечность.

Для бесступенчатого регулирования скорости могут быть использованы бесступенчатые механические вариаторы, электрические машины постоянного тока, асинхронные машины с частотным регулированием и объемные гидравлические машины.

Бесступенчатые механические вариаторы получили лишь ограниченное применение в приводе главного движения станков малой мощности по причинам низкой долговечности.

Бесступенчатые электрические приводы постоянного тока могут регулироваться в широком диапазоне скоростей при постоянном предельном моменте, но регулирование скорости при постоянной предельной мощности, как это требуется для привода главного движения станков, осуществляется только вверх от номинальной скорости в узком диапазоне (до 3). При необходимости регулирования скорости с постоянной мощностью в широком диапазоне габариты, вес и стоимость этих приводов чрезмерно возрастают, а энергетические показатели существенно ухудшаются по сравнению с аналогичными показателями традиционного электромеханического привода со ступенчатой коробкой скоростей и приводным асинхронным двигателем [2].

В настоящее время широкое распространение во всех отраслях машиностроения, в том числе и станкостроении, получили объемные гидравлические приводы, что обусловлено их преимуществами, основные из которых - относительно малые габариты и вес, приходящийся на единицу мощности. Так, габариты современного гидромотора составляют всего лишь 12-13% габаритов электродвигателей той же мощности; вес насосов и гидромоторов составляет от 10 до 20% веса электрических агрегатов подобного назначения и такой же мощности [3]. Гидромоторы отличаются высокой приемистостью, которая характеризуется отношением крутящего момента М на выходном валу к моменту инерции ротора.

Практика показывает, что на гидромотор приходится в среднем не более 5% момента инерции, приводимого им механизма. Благодаря этому может быть получено высокое быстродействие гидросистемы. Так, например, время разгона гидромотора средней мощности /4…7кВт/ не превышает 0,1 с, а во многих конструкциях оно не превышает 0,03 …0,04 с. Гидравлические приводы просты в изготовлении, обладают высокой надежностью и долговечностью, просты в управлении как отдельными параметрами, так и комбинацией этих параметров. Гидромоторы обладают жесткой скоростной характеристикой под нагрузкой, а так же допускают неограниченную во времени работу при максимально возможных малых скоростях [4]. Преимуществом объемных гидроприводов является простота бесступенчатого регулирования скорости, плавность и устойчивость главного вращательного движения. Учитывая преимущества объемного гидропривода, в настоящее время ведутся разработки новых вариантов объемных гидроприводов.

Одним из направлений в современной технике является применение сверхвысоких (70МПа и более) давлений. Преимущество гидропривода по сравнению с электрическими машинами заключается в возможности работы при высоких давлениях. Рабочие давления в современном гидроприводе достигают 20-30 МПа, а удельные силы электрических машин не превышают 2МПа. Как следствие, гидропривод обладает большей мощностью, приходящейся на единицу веса, имеет меньшие габариты, большое быстродействие. Применение сверхвысоких давлений в гидроприводе главного движения станков позволяет расширить диапазон регулирования скорости вращения при постоянной мощности. Крутящий момент на выходном валу гидропередачи определяется величиной перепада давления между напорной и сливной линиями и рабочим объемом гидромотора. Если применить невысокие давления (10-15 МПа), повышение крутящего момента возможно лишь за счет увеличения рабочего объема гидромотора, но в этом случае недопустимо возрастают габаритные размеры и усложняется конструкция привода. Требуемый диапазон регулирования может быть достигнут в приводе, рассчитанном на сверхвысокие давления.

Целью выпускной квалификационной работы является разработка гидропривода главного вращательного движения металлорежущих станков.



1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРИВОДУ ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

1.1 Обеспечение типовой предельной характеристики нагрузки

Обеспечение типовой предельной характеристики нагрузки представляет собой зависимость наибольшего момента на шпинделе от его скорости. Предельная характеристика нагрузки представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1-Предельная характеристика нагрузки

Характеристика имеет участок 1-2, на котором момент остается неизменным при изменении скорости от до . При этом необходимо обеспечить плавное бесступенчатое регулирование скорости при постоянной предельной мощности в возможно более широком диапазоне. Постоянство предельной передаваемой мощности при регулировании скорости привода обеспечивает максимальную производительность станка при обработке с оптимальной скоростью резания и максимальным сечением стружки поверхностей различного диаметра. Общий диапазон регулирования скорости главного движения станков токарной группы достигает 200, а диапазон регулирования с постоянной предельной мощностью для современных станков составляет D=10…20. Плавность регулирования скорости главного привода станков характеризуется знаменателем геометрического ряда скоростей .

1.2 Высокие статические свойства: жесткие механические характеристики, равномерность вращения шпинделя

Высокая жесткость механических характеристик привода обеспечивает стабильность установленной скорости резания при изменениях силы резания и следовательно требуемую производительность, качество обработки и стойкость инструмента. Допустимая нестабильность скорости привода с учетом действия возможных возмущений, изменения нагрузки, колебания напряжения сети, нагрев двигателя и элементов управления, изменение температуры помещения, связана с практической точностью установления заданной скорости , определяемой принятым знаменателем ряда скоростей . Допустимая статическая ошибка регулирования при изменении нагрузки от 10 до 100% номинального значения не должна превышать относительной ошибки в установлении скорости при дискретном задатчике скорости.

1.3 Высокие динамические свойства привода

Привод должен обеспечивать высокую динамическую точность регулирования скорости при изменении управляющего воздействия по заданной программе или определенному закону управления. В этом случае установившаяся ошибка регулирования складывается из статической ошибки и скорости ошибки , пропорциональной скорости изменения управляющего сигнала. Привод должен быть устойчивым во всем диапазоне рабочих скоростей и обеспечивать удовлетворительное качество регулирования в переходных процессах, вызванных управляющими и возмущающими воздействиями. Быстродействие привода оценивается временем регулирования . Оно равно длительности переходного процесса от момента приложения нагрузки до момента восстановления установленного значения скорости с точностью . Для привода главного движения металлорежущих станков время регулирования =0,5…0,6 c. Возможность передачи вращения к шпинделю без применения коробки скоростей. При этом упрощается конструкция и снижается трудоемкость изготовления станков, исключается применение механизма переключения скоростей, уменьшается тепловыделение, вибрации, шум, а также габаритные размеры и вес подвижных узлов.

Широкое применение гидравлических приводов в машинах обусловлено их преимуществами, основное из которых относительно малые габариты и вес, приходящиеся на единицу мощности. Гидравлические приводы просты в изготовлении, обладают высокой надежностью и долговечностью.

Преимуществом является простота бесступенчатого регулирования скорости, плавность и устойчивость движения. Учитывая преимущества объемного гидропривода, в настоящее время ведутся разработки новых вариантов объемных гидроприводов.

Несмотря на все преимущества, которые дает применение бесступенчатого привода для главного движения станков, подавляющее число применяемых в станкостроении бесступенчато-регулируемых приводов относится к приводу подач. В приводе же главного движения станков применение бесступенчатых регулируемых проводов до последнего времени было крайне ограниченным около 5% выпускаемых станков. Объясняется это тем, что нет пока еще экономически выгодных, изученных и проверенных в условиях длительной эксплуатации надежных средств бесступенчатого регулирования.



2. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ

2.1 Дроссельное регулирование

Дроссельный способ регулирования скорости гидроприводов основан на том, что часть жидкости, подаваемой насосом, отводится в сливную гидролинию и не совершает полезной работы. Скорость вращения гидромотора регулируется дроссельными устройствами, исключенными на входе или выходе рабочей жидкости из гидромотора, а также в ответвление от нагнетательной линии. Дроссельное регулирование отличается простотой, но имеет ряд недостатков. Основным недостатком гидроприводов с нерегулируемым насосом и дроссельным регулированием скорости является низкий к.п.д., обусловленный самим принципом дроссельного регулирования [5]. Этот недостаток ограничивает область применения дроссельного регулирования приводами малой мощности.

В гидроприводах большой мощности, в которых энергетические показатели играют важную роль, применяют объемный способ регулирования скорости.

К.п.д. гидроприводов с объемным регулированием, определяется по формуле:

% , (2.1)

металлорежущий станок гидропривод шпиндель

где з_Н - к.п.д. насоса;

з_М - к.п.д. гидродвигателя;

з_Г - к.п.д. гидролинии.

К.п.д. гидролинии существенно выше, чем в гидроприводах с дроссельным регулированием, и достигает 0,65…0,75. Нагрев рабочей жидкости в гидроприводах с объемным регулированием значительно меньше, чем при дроссельном регулировании благодаря отсутствию дросселирования потока. Благодаря перечисленным преимуществам гидроприводы с объемным регулированием применяются в качестве приводов средней и большой мощности. Привод главного движения станка относится к приводам средней мощности, следовательно, для него наиболее применим способ объёмного регулирования скорости.

При таком способе регулирования обеспечивается более плавное реверсирование и торможение гидродвигателя, чем при распределении потока с помощью гидрораспределителей. Диапазон регулирования скорости при объемном способе регулирования во много раз выше, чем при дроссельном регулировании.

2.1.1 Дроссельное регулирование гидропривода при последовательном включении дросселя

Cхема гидроприводов с дроссельным регулированием представлена на рисунке 2.1. Дроссель включают на входе в гидродвигатель, на выходе из него и на входе и выходе одновременно.

Рисунок 2.1-Cхема гидроприводов с дроссельным регулированием:

1-насос; 2-гидроцилиндр; 3-распределитель; 4-клапан; 5-дроссель

В приведенных схемах: насос 1 - нерегулируемый; гидроцилиндр 2 - с двусторонним штоком; распределитель 3 на схемах и б - двухпозиционный, на схеме в - трехпозиционный; клапан 4 в данном примере является переливным; дроссель 5 (дросселирующий распределитель ) служит для регулирования скорости перемещения поршня.

При полном открытии дросселя скорость поршня максимальна. При уменьшении открытия давление перед дросселем повышается, клапан 4 приоткрывается и пропускает часть подачи насоса на слив. Скорость поршня при этом снижается. При полном закрытии дросселя вся подача насоса идет через клапан и скорость рабочего органа равна нулю. При постоянном открытии дросселя и увеличении преодолеваемой нагрузки, т.е. силы F, давление насоса возрастает, расход через клапан увеличивается, а скорость поршня уменьшается.

Скорость поршня не зависит от расположения дросселя относительно гидродвигателя (на входе в него или на выходе).

Для симметричного дросселирующего золотникового распределителя и для гидроцилиндра с двусторонним штоком расходы в рабочих окнах и перепады давления в них одинаковы.

Скорость выходного звена при ее регулировании последовательно включенным дросселем пропорциональна степени открытия дросселя. Максимальная нагрузка, при которой выходное звено тормозится, от степени открытия дросселя не зависит.

Потери давления и КПД гидропередачи при регулировании последовательно включенным дросселем не зависят от места его установки. Однако, при дросселировании потока на выходе из гидродвигателя, последний работает более устойчиво, особенно при знакопеременной нагрузке. Кроме того, при установке дросселя на сливной гидролинии теплота, отводится в бак и не оказывает влияния на работу гидродвигателя.

При использовании гидроцилиндра с односторонним штоком, расходы жидкости в напорной и сливной магистралях неравны, так как эффективная площадь поршня с одной стороны меньше, чем с другой, на площадь сечения штока.

КПД гидропривода вращательного движения при последовательном включении дросселя.

При дроссельном регулировании и любом способе включения дросселя полный КПД гидропривода определяется как потерями энергии в насосе и гидродвигателе, так и потерями, обусловленными процессом управления.

КПД процесса управления представляет собой отношение мощности потока, проходящего через гидродвигатель, к мощности потока, подаваемого насосом и по его величине оценивают потери мощности на регулирование скорости выходного звена гидропривода.

Полный КПД регулируемого гидропривода равен произведению КПД насоса, КПД процесса управления и КПД гидродвигателя. КПД регулируемого гидропривода с последовательным включением дросселя не может быть больше значения 0,385, которое достигается при оптимальном значении относительной нагрузки . Столь низкое значение КПД процесса управления объясняется тем, то даже на оптимальном режиме работы гидропривода только 58% подачи насоса направляется в гидродвигатель (остальное количество идет через клапан на слив) и лишь 2/3 давления насоса используется в гидродвигателе (остальная часть теряется в дросселе), т.е. потери мощности происходят одновременно и в дросселе и в клапане.

2.1.2 Дроссельное регулирование гидропривода при параллельном включении дросселя

На рисунке 2.2 представлена схема объемного гидропривода при включении регулирующего дросселя параллельно гидродвигателю. В точке М поток рабочей жидкости, забираемой из бака 6 насосом 1, разветвляется: одна его часть через распределитель 3 направляется в гидроцилиндр 2, а другая - в регулирующий дроссель 5. Клапан 4 в данном случае является предохранительным. Он открывается лишь в случае чрезмерного повышения давления в системе.

Рисунок 2.2-Cхема дроссельного регулирования при параллельном включение:

1-насос; 2-гидроцилиндр; 3-распределитель; 4-клапан; 5-дроссcель; 6-бак

В точке М поток рабочей жидкости, забираемой из бака 6 насосом 1, разветвляется: одна его часть через распределитель 3 направляется в гидроцилиндр 2, а другая - в регулирующий дроссель 5. Клапан 4 в данном случае является предохранительным. Он открывается лишь в случае чрезмерного повышения давления в системе.

Скорость выходного звена-штока гидроцилиндра, регулируется изменением степени открытия дросселя. Чем она меньше, тем большая доля подачи насоса направляется в гидроцилиндр и тем больше скорость движения поршня V_п. При полном закрытии дросселя скорость наибольшая, а при полном его открытии - уменьшается до нуля или до минимального значения в зависимости от нагрузки F.

Основными характеристиками регулируемых гидроприводов являются регулировочная и нагрузочная (механическая) характеристики.

Регулировочная характеристика - это графическая зависимость регулируемой величины от параметра регулирования в данном случаеV= f при постоянном значении внешней нагрузки. Регулировочная характеристика объёмного гидропривода с дроссельным регулированием при параллельном включении дросселя приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3-Регулировочная характеристика гидропривода с дроссельным регулированием скорости при параллельном включении дросселя

Из этого графика, построенного в соответствии с формулой в диапазоне изменения площади проходного сечения гидродросселя от нуля до Sдрmax, видно, что вторым фактором, оказывающим существенное влияние на величину скорости поршня гидроцилиндра, является величина преодолеваемой им внешней нагрузки F.

Нагрузочная характеристика объемного гидропривода с дроссельным регулированием при параллельном включении дросселя приведена на рисунке 2.4.



Рисунок 2.4-Нагрузочная характеристика гидропривода с дроссельным регулированием скорости при параллельном включении дросселя

Графическая зависимость регулируемой величины (скорости) от величины внешней преодолеваемой нагрузки получила название нагрузочная характеристика.

Она построена для двух значений в диапазоне изменения нагрузки от нуля до так называемого тормозного усилия,величина которого определяется давлением настройки предохранительного клапана 2.

В рассматриваемом гидроприводе давление pн на выходе насоса 1 зависит от нагрузки F и не является постоянной величиной, поэтому гидропривод с такой системой регулирования скорости называют гидроприводом с переменным давлением питания. Клапан 2, установленный в гидросистеме на выходе насоса, в этом случае является предохранительным.

Одним из недостатков таких гидроприводов является то, что в них система регулирования позволяет управлять скоростью только в случае, если направление действия внешней нагрузки противоположно направлению движения выходного звена гидропривода (нагрузка создает сопротивление движению выходного звена). Этот недостаток исключает использование данного способа регулирования скорости в гидроприводах, где, например, по условию технологического процесса необходимо обеспечить в 200 какой-то момент времени уменьшение скорости движения поршня гидроцилиндра, нагруженного некоторой массой. В этом гидроприводе уменьшение скорости будет происходить со значительным запаздыванием, так как на поршень гидроцилиндра будет действовать помогающая нагрузка (сила инерции), направление действия которой совпадает с направлением движения поршня.

2.2 Объемное регулирование скорости

Под объемным гидроприводом понимают совокупность устройств, в число которых входит один или несколько объемных гидродвигателей, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин с помощью рабочей жидкости под давлением. Если рабочая жидкость подается в объемный гидродвигатель насосами, то гидропривод называют насосным. Часть насосного привода, предназначенную для передачи движения от приводящего привода к механизмам машины, называют объемной гидропередачей.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы вращательного, поступательного и поворотного движения.

По возможности регулирования различают гидроприводы регулируемые и нерегулируемые. По способу регулирования: с ручным и автоматическим регулированием. По циркуляции рабочей жидкости: с замкнутой и разомкнутой циркуляцией. В регулируемом гидроприводе скорость выходного звена объемного гидродвигателя может изменяться по требуемому закону.

К основному гидрооборудованию объемного гидропривода относятся гидромашины (насосы и насосы-моторы), гидродвигатели (гидроцилиндры и гидромоторы), гидроаппараты (гидрораспределители, гидроклапаны, регуляторы, делители и сумматоры потока), гидролинии и их элементы (трубопроводы и соединительная арматура).

К вспомогательному гидрооборудованию относятся устройства, предназначенные для подпитки насоса рабочей жидкостью (эжекторы), выпуска воздуха из гидросистемы или для сообщения ее с атмосферой (вентили, краны, фильтры-сапуны), измерения расхода, давления, температуры и уровня рабочей жидкости, частоты вращения и крутящего момента гидромашин, для соединения трубопроводов (быстроразъемные муфты и полумуфты) и прочее.

Объемный гидропривод имеет следующие преимущества:

1) высокая компактность при небольших массе и габаритных размерах гидрооборудования по сравнению массы и габаритных размеров механических приводных устройств той же мощности;

2) возможность передачи больших передаточных чисел; в объемном гидроприводе с использованием высокомоментных гидромоторов передаточное число может достигать 2000;

3) небольшая инерционность, обеспечивающая хорошие динамические свойства привода; это позволяет уменьшить продолжительность рабочего цикла и повысить производительность машины, т.к. выключение и реверсирование рабочих органов осуществляется за доли секунды;

4) бесступенчатое регулирование скорости движения, позволяющее повысить коэффициент использования приводного двигателя, упростить автоматизацию привода и улучшить условия работы машиниста;

5) удобство и простота работы и управления, которые обуславливают небольшую затрату энергии машинистом и создают условия для автоматизации не только отдельных операций, но и всего технологического процесса, выполняемого машиной;

6) независимое расположение сборочных единиц привода, позволяющее наиболее целесообразно разместить их на машине;

7) надежное предохранение от перегрузок благодаря установке предохранительных и переливных гидроклапанов;

8) простота взаимного преобразования вращательного и поступательного движений в системах насос-гидромотор и насос-гидроцилиндр;

В гидроприводах с объемным регулированием бесступенчатое изменение скорости движения поршня осуществляется за счет изменения подачи насоса или с помощью регулируемых гидромоторов, в качестве которых используют роторно-поршневые и пластинчатые гидромашины. При постоянной нагрузке на штоке мощность насоса и скорость поршня пропорциональны подаче насоса. При малых скоростях движения поршня, т.е. в том случае, когда насос отрегулирован на малую подачу, величина утечек масла соизмерима с расходом жидкости через гидроцилиндр. Это приводит к существенным колебаниям скорости при изменении нагрузки и ограничивает возможность объемного регулирования при малых скоростях движения поршня.

Однако, гидрорпиводы с объемным регулированием имеют преимущество, заключающееся в том, что насос переменной подачи дает возможность осуществлять непрерывное изменение скорости рабочего органа без потерь энергии, связанных с перепуском рабочей жидкости, находящейся под давлением, на слив [6].

Рассмотрение процесса регулирования проводят с помощью безразмерного параметра регулирования гидромашины, равного отношению текущего значения рабочего объема q к его максимальному значению q.

2.2.1 Регулирование скорости с помощью изменения рабочего объема насоса

Наиболее предпочтительным способом регулирования является регулирование скорости с помощью изменения рабочего объёма насоса. Достоинством данного способа регулирования является удобство регулирования, т.к. местонахождения насоса не оказывает существенного влияния на компоновку станка; низкая стоимость, простота конструкции, малые габаритные размеры и масса нерегулируемого гидромотора, что особенно важно в приводах со встроенным гидродвигателем. Но данная схема не позволяет регулировать скорость вращения вала гидромотора при постоянной мощности, не обеспечивает необходимый силовой диапазон. В этом случае получение силового диапазона достигается за счет ограничения нагрузки гидропередачи, т.е. недогрузки гидропередачи.

В гидроприводах высоких давлений нашли наибольшее применение поршневые насосы, которые по расположению цилиндров делятся на радиальные и аксиальные.

В зависимости от вида распределения рабочей жидкости насосы подразделяются на насосы с бесклапанным распределением и клапанным распределением.

По расположению цилиндров эти машины делятся на роторные радиально-поршневые с радиальным относительно оси вращения ротора расположением цилиндров и роторные аксиально-поршневые с аксиальным относительно оси вращения цилиндрового блока расположением цилиндров. Изменение направления движения выходного звена гидропривода осуществляется благодаря реверсированию потока рабочей жидкости, подаваемой. При этом необходимо вначале уменьшить подачу насоса до нуля, а затем увеличить ее, но в противоположном направлении.

На рисунке 2.5 приведена принципиальная схема гидропривода вращательного движения с замкнутой циркуляцией жидкости, в котором регулирование скорости вращения вала гидромотора осуществляется за счет изменения подачи насоса.



Рисунок 2.5-Схема гидропривода с замкнутой циркуляцией жидкости: 1-гидромотор; 2-насос

Такое регулирование называется регулированием с постоянным крутящим моментом, т.к. имеется в виду, что давление в гидропередаче постоянно. Диапазон регулирования с постоянным крутящим моментом зависит от минимального устойчивого значения скорости вращения вала гидромотора.

Минимальное число оборотов определяется по формуле:

где - объемные потери в гидромоторе, ;

- теоретический удельный объем гидромотора, .

В специальных конструкциях гидромоторов достигаются скорости вращения от долей оборота до нескольких сот оборотов в минуту, что соответствует диапазону регулирования до 1000 оборотов и более. В гидромоторах общего назначения скорость вращения вала не менее 10-20 об/мин.

Достоинством данного способа регулирования является удобство регулирования, так как местонахождение насоса не оказывает существенного влияния на компоновку станка: низкая стоимость, простота конструкции, малые габаритные размеры и масса нерегулируемого гидромотора, что особенно важно в приводах со встроенным гидродвигателем.

Но данная схема не позволяет регулировать скорость вращения вала гидромотора при постоянной мощности, но обеспечивает необходимый силовой диапазон. В этом случае получение силового диапазона достигается за счет ограничения нагрузки гидропередачи.

Способ регулирования с помощью изменения рабочего объема насоса может использоваться лишь на нижней части диапазона, где предельная мощность не используется. Опыт эксплуатации машин при давлениях до 10-15 МПа, оборудованных регулируемыми насосами и нерегулируемыми гидромоторами показывает, что диапазон экономичного регулирования скорости вращения вала гидромотора за счет изменения производительности насоса не превышает 4-5 едениц.

2.2.2 Регулирование скорости с помощью изменения рабочего объема гидродвигателя

На рисунке 2.6 приведена принципиальная схема гидропривода, в котором регулирование скорости вращения вала гидромотора осуществляется за счет изменения рабочего объема самого гидромотора.

Уменьшение скорости происходит в обратном порядке. Такой способ позволяет получить большой диапазон регулирования, он обладает всеми достоинствами и недостатками выше рассмотренных схем объемного управления.

Такое регулирование условно называется регулированием с постоянной мощностью, т.к. уменьшение рабочего объема гидромотора увеличивает скорость выходного звена гидропривода и соответственно уменьшает крутящий момент, развиваемый на выходном звене.

Рисунок 2.6-Схема регулирования скорости гидропривода при изменении объема гидромотора

Практически существует минимальное значение при котором момент, развиваемый гидромотором, становится равным моменту внутреннего трения, и гидромотор тормозится даже без нагрузки (явление самоторможения) [6].

Применение регулируемого гидромотора позволяет более полно использовать установочную мощность в режиме регулирования.

Недостатками системы с регулируемым гидродвигателем является: ограниченная возможность применения, связанная с самоторможением гидромотора при значительном уменьшении его рабочего объема, сложность управления скоростью гидропривода, если гидродвигатель расположен далеко от оператора (необходимость дистанционного управления), сложность конструкции, большие габариты и масса регулируемого гидродвигателя.

Сравнительный анализ регулируемых и нерегулируемых гидравлических машин показал, что вес и габариты регулируемой машины приблизительно в 5-7 раз больше, чем не регулируемой той же мощности.

Указанные недостатки затрудняют установку гидродвигателя на подвижном узле и требуется применение промежуточных передач.

Для увеличения диапазона регулирования применяют гидропередачи с регулируемым насосом и гидромотором.

2.2.3 Регулирование с помощью изменения рабочих объемов насоса и гидродвигателя

Принципиальная схема гидропривода с регулируемым насосом и гидромотором приведена на рисунке 2.7.

Этот способ объединяет все достоинства и недостатки рассмотренных выше способов. В такой гидропередаче регулирование от минимальной скорости до некоторой средней её величины осуществляется путём изменения рабочего объёма насоса регулирование с постоянным крутящим моментом. Регулирование гидропередачи от средней скорости до максимальной осуществляется путём изменения рабочего объёма гидромотора регулирование с постоянной мощностью.

Такая система позволяет получить весьма большой диапазон регулирования, который равен произведению диапазона регулирования насоса и гидромотора. В следствии указанного выше явления самоторможения, диапазон регулирования при постоянной мощности не превышает при использовании гидромоторов общего назначения 2,5. Диапазон регулирования при постоянной мощности может быть искусственно увеличен путём повышения давления в процессе регулирования с изменением рабочего объёма насоса. Если давление в гидропередаче изобразить прямой НК, то при этом давление повышается по пунктирной прямой до точки В и потом сохраняется постоянным (пунктирная прямая ВС). Линия постоянной мощности продолжается по пунктирной прямой от точки А до точки Д, после чего наступает процесс регулирования с постоянным крутящим моментом, изображённый лучом ДО. Обычно повышение давления допускается не более чем в 2 раза, что позволяет процесс регулирования с постоянной мощностью в диапазоне регулирования равном 2. Таким образом, общий диапазон регулирования с постоянной мощностью может быть увеличен до 5.

Некоторые зарубежные фирмы применяют в станках гидравлические приводы вращения с регулируемым насосом и гидромотором, однако достигнутый диапазон изменения скорости при постоянной мощности, определяемый изменением рабочего объёма гидромотора, не превышает четырёх.



Рисунок 2.7-Схема гидропривода с регулируемым насосом и гидромотором

2.2.4 Объемно-дроссельное регулирование

Объемно-дроссельный, или машинно-дроссельный, способ регулирования скорости выходного звена объемного гидропривода заключается в том, что в гидроприводе постоянного давления питания с дроссельным регулированием скорости используется вместо нерегулируемого насоса регулируемый насос.

На рисунке 2.8 приведена схема гидропривода с объемно-дроссельным регулированием скорости движения поршня гидроцилиндра 4 при последовательном включении гидродросселя 5 на выходе из гидроцилиндра.



Рисунок 2.8-Гидропривод с объемно-дроссельным регулированием скорости:

1- аксиально-поршневой насос; 2- автомат регулирования подачи; 3-золотник; 4-вал гидромотора; 5-гидродроссель; 6-переливной клапан; 7-бак

В данном гидроприводе используется насосная установка, включающая регулируемый аксиально-поршневой насос 1, оснащенный автоматом регулирования подачи 2, обеспечивающим постоянное значение давления на выходе насоса.

При этом насосная установка решает ту же задачу, что и насосная установка, состоящая из нерегулируемого насоса и переливного клапана, в гидроприводе. Значит, регулировочная и нагрузочная характеристики для рассматриваемой схемы гидропривода выглядят аналогично графикам, приведенным на рисунках 2.3 и 2.4.

Следует учитывать, что в данном случае давление pн на выходе насоса 1 поддерживается постоянным не за счет слива части потока рабочей жидкости, подаваемого насосом, а за счет уменьшения рабочего объема регулируемого насоса 1, то есть за счет уменьшения величины его подачи. В результате КПД гидропривода с объемно-дроссельным регулированием получается при прочих равных условиях выше, чем у гидропривода с дроссельным регулированием. Однако следует помнить, что регулируемый насос существенно дороже нерегулируемого.

2.2.5 Сравнение способов регулирования скорости гидроприводов

Сравнение различных способов регулирования гидропривода проводят по нагрузочным характеристикам, КПД и стоимости.

Нагрузочная характеристика показывает степень стабильности скорости выходного звена при изменяющейся нагрузке. Обычно требуется наибольшая стабильность (минимальная просадка). На рисунке 2.9 представлены нагрузочные характеристики для различных способов регулирования, построенные при постоянных значениях рабочих объемов гидромашин при объемном регулировании и неизменных степенях открытия регулирующих дросселей при дроссельном регулировании, а также при одинаковых значениях максимальной скорости и тормозящей нагрузки. Наибольшей стабильностью обладает гидропривод с объемным регулированием (кривая 1). Значительно хуже в этом отношении дроссельное регулирование с последовательным включением дросселя (кривая 2). Параллельное включение дросселя приводит к наименее стабильной характеристике последовательным включением дросселя (кривая 2). Параллельное включение дросселя приводит к наименее стабильной характеристике.

Рисунок 2.9-Нагрузочные характеристики для различных способов регулирования

Сравнение способов регулирования по КПД процесса управления, представленное на рисунке 2.10 показывает, что наилучший результат достигается при объемном регулировании (кривая 1), а наихудший - при последовательном включении дросселя (линия 2). Дроссельное регулирование с параллельным включением дросселя (линия 3) занимает промежуточное положение.

Следовательно, по двум важнейшим показателям нагрузочным характеристикам и КПД, лучшие качества имеет гидропривод с объемным регулированием. Однако при выборе способа регулирования необходимо учитывать и экономические показатели.

Регулируемые гидромашины (насосы и гидромоторы), используемые при объемном регулировании, более дорогостоящие, по сравнению с нерегулируемыми, однако из-за более высокого КПД у таких гидроприводов меньше эксплуатационные расходы. Поэтому, объемное регулирование гидропривода применяют, когда существенными являются энергетические показатели, например для гидроприводов большой мощности и с длительными режимами работы. Гидроприводы с дроссельным регулированием и дешевыми, например, шестеренчатыми насосами используют обычно в маломощных системах, а также, когда режимы работы гидропривода кратковременные.



Рисунок 2.10-Сравнение способов регулирования по КПД процесса управления



3. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ В ГИДРОПРИВОДЕ ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ

3.1 Преимущества применения сверхвысоких давлений

Одним из направлений в современной технике является применение сверхвысоких (70 МПа и более) давлений. Преимущество гидропривода по сравнению с электрическими машинами как раз и заключается в возможности работы при высоких давления. Рабочие давления в современном гидроприводе достигают 20 - 30 МПа, а удельные силы электрических машин не превышают 2 МПа (22). Как следствие, гидропривод обладает большей мощностью, приходящейся на единицу веса, имеет меньшие габариты, большее быстродействие.

В настоящее время зарубежными фирмами выпускаются гидравлические машины, работающие на давлениях 70 МПа, что даёт возможность получить рекордно малый вес на единицу мощности (до 2 кг/квт). Нами установлено, что применение сверхвысоких давлений в гидроприводе главного движения станков позволяет расширить диапазон регулирования скорости вращения при постоянной мощности [7].

Как видно из выражения крутящий момент на выходном валу гидропередачи определяется величиной перепада давления р между напорной и сливной магистралями и рабочим объёмом гидромотора. В случае применения невысоких давлений (порядка 10 - 15 МПа) повышение крутящего момента (для обеспечения требуемого диапазона регулирования при постоянной мощности) возможно лишь за счёт увеличения рабочего объёма гидромотора. Это привело к созданию секционных ролико-лопастных гидромоторов, установке нескольких гидромоторов на одном валу. Подобные меры дали возможность расширить диапазон регулирования при постоянной мощности до 6 - 7, но при дальнейшем повышении (для достижения требуемого диапазона) недопустимо возрастают габаритные размеры и усложняется конструкция привода, недопустимо возрастают габаритные размеры и усложняется конструкция привода.

Второй путь увеличения момента - повышение перепада давлений. Регулирование объемной гидропередачи представлено на рисунке 3.1. Диапазон регулирования при постоянной мощности может быть искусственно увеличен путём повышения давления в процессе регулирования.

Рисунок 3.1-Регулирование объемной гидропередачи

Но для привода, работающего на сравнительно низких давлениях, повышение давления ограничено и диапазон регулирования при постоянной мощности не превышает 5.

Требуемый диапазон регулирования может быть достигнут в приводе, рассчитанном на сверхвысокие давления. Достоинством привода со сверхвысокими давлениями является также возможность обеспечения типовой предельной характеристики нагрузки при нерегулируемом гидромоторе и приемлемых габаритных размерах привода. Это имеет большое значение при установке гидромотора на шпиндельном узле [8].

Принципиальная схема гидропередачи имеет вид, изображённый на рисунке 2.5. На рисунок 3.2 приведены графики зависимостей крутящего момента М на выходном валу, мощности N и перепада давлений р от числа оборотов вала гидромотора.

Предельная характеристика нагрузки изображена кривой 1-2-3, предельная статическая характеристика привода - прямой 1-2-4. При этом предельный крутящий момент остаётся постоянным на всём диапазоне регулирования скорости до , а предельная мощность привода линейно возрастает при увеличении (прямая А-Б-В). Перепад давлений р имеет максимальное значение и остаётся постоянным. Фактический же крутящий момент на выходном валу будет определятся характеристикой нагрузки (или мощностью приводного электродвигателя).

Рисунок 3.2-Регулирование объемной гидропередачи

Перепад давления определяется по формуле:

где -перепад давлений, МПа;

-3,14;

-крутящий момент нагрузки, кГсЧм;

-рабочий объем гидромотора, .

Так как = const, фактический перепад давления в гидропередаче не остаётся постоянным, он изменяется прямо пропорционально М, что в координатах - выразится гиперболой 2-4. Максимальный и минимальный перепад давления в гидропередаче определяется соответственно по формулам:

где -максимальный перепад давления, МПа;

р-3,14;

-максимальный крутящий момент, кГсЧм;

- рабочий объем гидромотора, .

где -максимальный перепад давления,МПа;

р-3,14;

-максимальный крутящий момент, кГсЧм;

- рабочий объем гидромотора, .

Мощность, развиваемая приводом, в этом случае определится выражением:

где N- Мощность, развиваемая приводом, КВт;

М-крутящий момент на выходном валу, кГсЧм;

-максимальный перепад давления, МПа;

- рабочий объем гидромотора,

-число оборотов вала гидромотора, об/мин.

Т.к. с ростом перепад давления соответственно уменьшается, мощность при этом остаётся постоянной (прямая Б - Г). Установленная мощность привода максимальная мощность нагрузки и коэффициент использования установленной мощности соответственно определятся:

где -максимальный крутящий момент,кГсЧм;

-максимальное число оборотов, об/мин;

N-мощность, КВт.

где -максимальная мощность нагрузки, КВт;

-максимальный крутящий момент, кГсЧм;

-номинальное число оборотов, об/мин.

где Ш-коэффициент использования установленной мощности;

-максимальная мощность нагрузки, КВт;

-установленная мощность привода, КВт;

- номинальное число оборотов, об/мин;

- максимальное число оборотов, об/мин.

Недостатком этого способа регулирования является низкий коэффициент использования установленной мощности, так как получение необходимого силового диапазона достигается за счёт недогрузки гидропередачи. Однако нами установлено, что при сверхвысоких давлениях это не связано с увеличением габаритных размеров и массы привода, так как увеличение установленной мощности происходит за счёт увеличения давления [9]. В качестве примера рассмотрим привод главного движения с характеристиками, которые использованы в работе, где предлагается привод на базе секционного роликолопастного гидромотора:Д = 16. Следовательно

Установленная мощность, максимальная мощность нагрузки и коэффициент использования мощности определятся соответственно по выражениям (3.5-3.7)= 65,5 квт; = 4,1 квт; Ш = 0,063.

Рабочий объём гидромотора определяется из выражения (3.4) .

При подстановке = 700 кГ/ ; N==65,5 квт; n==1200 об/мин;

= 47,7 /об.

Из данного примера видно, что несмотря на низкий коэффициент использования установленной мощности рабочий объём (габаритные размеры и вес) гидромотора значительно меньше (для секционного роликолопастного гидромотора =25 б).

Следовательно, при сверхвысоких давлениях уменьшается удельная стоимость момента Зависимость показателя удельной стоимости крутящего момента от передаточного числа U показана на рисунке 3.3. Повышается конкурентная способность привода без механической передачи и расширяется зона целесообразности его использования.

Достоинством применения сверхвысоких давлений является также то, что они позволяют более полно использовать прочностные свойства материалов.



Рисунок 3.3-Зависимость показателя удельной стоимости крутящего момента от передаточного числа U



4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ГИДРОПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ ТОКАРНОГО СТАНКА

Токарно-револьверный станок 1Е340 является универсальным станком и предназначен для токарной обработки деталей из прутка и штучных заготовок в условиях серийного и мелкосерийного производства. Класс точности станка- Н.

На станке можно производить следующие виды токарной обработки: обточку, расточку, сверление, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы метчиками и плашками, подрезку, прорезку канавок и др.

Станок имеет шестипозиционную револьверную головку с вертикальной осью вращения, установленную на револьверном суппорте, перемещающемся непосредственно по направляющим станины [10].

Для поперечной обработки на станке имеется поперечный суппорт мостового типа.

При повороте револьверной головки с одной позиции на другую происходит автоматическое переключение чисел оборотов шпинделя и подач суппортов в соответствие с программой, заданной на штекерной панели пульта управления.

Вращение шпинделя осуществляется от двухскоростного электродвигателя мощностью 4,2/6,3 кВт, с числом оборотов 960/1430 через гидравлический привод.

Гидропривод, схема которого представлена на рисунке 4 состоит из регулируемого поршневого насоса 1, радиально-поршневого мотора 2, мультипликатора 3, предохранительного клапана 4 и станции подпитки 5.

Насос и электродвигатель имеют фланцевое исполнение, крепятся к кронштейну и соединяются муфтой. Гидромотор устанавливается на заднем конце шпинделя станка. Все гидроаппараты соединены стальным трубопроводом с шаровым ниппелем 14-К1/2'' ГОСТ 8734-75 [6]. Принцип работы объемного гидропривода основан на законе Паскаля, по которому всякое изменение давления в какой-либо точке покоящейся жидкости, не нарушающее ее равновесия, передается в остальные ее точки без изменения.

Рисунок 4-Схема гидропривода:

1-поршневой насос; 2-радиально-поршневой мотор; 3-мультипликатор; 4-предохранительный клапан; 5-станция подпитки

Насосом 1 рабочая жидкость подается в напорную гидролинию и далее гидромотору 2. Из гидромотора жидкость поступает в сливную гидролинию и далее во всасывающую гидролинию насоса. В резервуаре жидкость охлаждается и снова поступает в гидросистему.

На рисунке 4 приведена принципиальная схема гидропривода вращательного движения с замкнутой циркуляцией, в котором регулирование скорости движения вала гидромотора 2 осуществляется за счет изменения подачи насоса 1.

Изменение направления движения выходного звена гидропривода благодаря реверсированию потока рабочей жидкости, подаваемой насосом (реверс подачи насоса). При этом необходимо вначале уменьшить подачу насоса нуля, а затем увеличить ее, но в противоположном направлении. Напорная и сливная гидролинии меняются местами.

Для компенсации утечек в гидроприводе с замкнутой циркуляцией, а также для исключения возможности кавитации на входе в насос используется специальный подпитывающий насос 5, осуществляющий подачу рабочей жидкости в систему гидропривода.

При таком способе регулирования скорости усилие, развиваемое выходным звеном гидропривода, не зависит от скорости движения. В этом случае диапазон регулирования определяется объемным КПД гидропривода, а также максимальной подачей насоса, определяемый его рабочим объемом.

Защита гидросистемы от чрезмерного повышения давления обеспечивается предохранительным клапаном 4, которые настраиваются на максимально допустимое давление. Если нагрузка на гидромотор возрастает сверх установленной, то весь поток рабочей жидкости будет идти через предохранительный клапан, минуя гидромотор.

Данный гидропривод имеет преимущества по сравнению с другими типами приводов там, где требуется создание значительной мощности, быстродействие, позиционная точность исполнительных механизмов, компактность, малая масса, высокая надежность работы и разветвленность привода.

При исследовании механизма регулируемого насоса, состоящего из исполнительного механизма и регулятора, определили закон движения поршня и ускорения звеньев механизма и его точек, а именно, ускорения поршня и башмака. Произведя необходимые расчеты, определили координаты точки F поршня и построили график зависимости У_F = f (t), который имеет косинусоидальный характер. Исходя из того, что поршень и башмак совершают возвратно-колебательные движения в вертикальной плоскости, ускорения башмака и поршня определилось как вторая производная от координаты У_F. Также построили график зависимости W_F = f (t), определив максимальное значение ускорения.



5. ГИДРАВЛИЧЕСИКЕ РАСЧЕТЫ ГИДРОМОТОРА

5.1 Гидравлический расчет клапанов

При расчете исходим из максимального расхода жидкости через клапан и максимально допустимой скорости истечения жидкости [11].

Должно выполнятся условие:

м/c,

где - площадь проходного сечения клапана,;

- максимальный расход жидкости через клапан,;

- максимально допустимая скорость истечения жидкости, м/c.

При давлении более 15 МПа допускается скорость жидкости более 5 .

Принимаем =10.

м/c,

где - максимальная скорость плунжера в цилиндре, ;

- площадь плунжера, cм.

(5.3)

где d - диаметр плунжера в цилиндре, см.

м/c,

где - максимальная угловая скорость машины, рад/c;

e -эксцентриситет рабочей поверхности относительно оси, cм.

рад/с, (5.5)

где - максимальное число оборотов вала машины;

.

. (5.6)

=. (5.7)

Впускной клапан.

Расчетная схема представлена на рисунке 5.1.

По конструктивным соображениям задаемся:

t= 0,2 ;

=1,5 ;

=1,8 ;

=2,2 ;

= 2,5 мм=0,25 см.



Рисунок 5.1-Расчетная схема гидромотора с впускным клапаном

Площадь проходного сечения 1-1:

(5.8)

Скорость течения жидкости в сечении 1-1:

. . (5.9)

Площадь проходного сечения 2-2:

(5.10)

Скорость течения жидкости в сечении 2-2:

(5.11)

Площадь проходного сечения а-в:



(5.12)

Скорость течения жидкости в сечении а-в:

(5.13)

Выпускной клапан.

Расчетная схема представлена на рисунке 5.2.

По конструктивным соображениям принимаем :

t= 0,15;

=1,2;

=1,5;

=1,9;

;

= 2,5 мм=0,25см.

Рисунок 5.2- Расчетная схема гидромотора с выпускным клапаном

Площадь проходного сечения 3-3:

(5.14)

Скорость течения жидкости в сечении 1-1:

м/c. (5.15)

Площадь проходного сечения 4-4:

(5.16)

Скорость течения жидкости в сечении 2-2:

(5.17)

Площадь проходного сечения c-d:

(5.18)

Скорость течения жидкости в сечении c-d:7

. . (5.19)



6. ИССЛЕДОВАНИЕ КЛАПАНОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ГИДРОМОТОРЕ

6.1 Расчет профиля кулачка

На рисунке 6.1 показана схема механизма поворота кулачка. При вращении вала 1 машины с угловой скоростью плунжер 2 перемещается возвратно-поступательно в направлении координаты Y и одновременно поворачивается с помощью поводка 4, входящего в паз диска 3. Диск расположен эксцентрично по отношению к валу машин и совершает плоскопараллельное движение.

Перемещение диска в направлении координат X определяется как:

м. (6.1)

Угол поворота плунжера:

град., (6.2)

где r - длина плеча поводка, м.

т.к. , можно записать:

град. (6.3)

Кулачок 5 управления распределительными клапанами поворачивается вместе с плунжером.

...