Вентиль

Рисунок 1.2 – Схема пристрою пневмопривода

Принципові схеми гідро - і пневмоавтоматики

Розглянемо схеми для реалізації циклового керування технологічними машинами. На рисунку 1.3 приведена найпростіша принципова схема гідроприводу з відкритою циркуляцією рідини. Особливість даного гідроприводу полягає в тому, що потоки робочої рідини на всмоктуванні і зливі з’єднані з маслобаком, через який циркулює вся рідина.

Функціональна схема трьохпозиційного розподільника Р₁ приведена на рисунку 1.3, б, на якому літерами позначено: П - підвід рідини від насоса; Ц - відводи, що з'єднуються з циліндром; С - відвід, що з'єднується з баком.

а) б) в)

р_абс – абсолютний тиск у зоні всмоктування насоса;

ВК – вимикач.

Рисунок 1.3 – Принципова схема системи з цикловим керуванням

Циклограма руху робочого органу (рисунок 1.3, в) включає робочий хід (РХ) і зворотний хід (ОХ). Насос Н1 забирає робочу рідину з маслобака Б1 і нагнітає її під тиском у напірний трубопровід 3, з якого через розподільник Р1 вона надходить в циліндр Ц1.

Привід для затиску трубок (рисунок 1.4) конструктивно виконаний у вигляді трьох циліндрів.

Порожнина 4 через отвір, закритий пробкою 3, заливається олією. Поршень 2 переміщується під тиском стиснутого повітря, давить на олію, що передає тиск на поршень 5, зв'язаний з рухливою колодкою тисків 6. Коли трубка 7 затиснута між нерухомою 8 і рухомою 6 колодками, а поршень 2 продовжує тиснути на олію, тиск олії підвищується і підвищується зусилля, що діє з боку поршня 5 на трубку, що затискається. Зусилля затиску трубки при тиску стиснутого повітря 0,4МПа дорівнює 5200Н. Тиск олії при цьому 1,8МПа, діаметр поршнів – 60 і 28 мм.

Заливка мастила

Рисунок 1.4 – Пневмогідравлічний привід механізму тисків

Для контролю тиску олії служить манометр 9 із краном 11. Дросель зі зворотним клапаном 10 встановлений для забезпечення плавного затиску трубки.

Розтиск затискачів відбувається при переключенні повітророзподільника і подачі стиснутого повітря в штокову порожнину циліндра 4.

Схема гідроприводу з безупинним керуванням робочого органа, без зворотного зв'язку, показана на рисунку 1.5.

Ця схема ГПА забезпечує не тільки цикл РХ-БП-РХ-БО, але і забезпечує безупинну зміна швидкості гідроциліндра при робочому ході (РХ).

При РХ частина рідини від насоса надходить у гідроциліндр (через дросель), інша частина зливається через переливний клапан у маслобак. БП - здійснюється через розподільник Р1 (при його відкритті); швидкий відвід БО також здійснюється через нього.

На функціональних і структурних схемах гідропривід зображують квадратом з літерою .

де - коефіцієнт пропорційності.

а) б)

Рисунок 1.5 - Схема гідроприводу з регульованим дроселем пропорційного керування

Дросельне вікно

1 - золотник,

2 - корпус,

3 - гідроциліндр,

4 - зворотний зв'язок

Рисунок 1.6 - Схема гідроприводу, що стежить

Ця схема призначена для відтворення вхідного сигналу на виході, тобто прагне до (якщо масштаб 1:1).

Золотник, що стежить, найчастіше виконується чотирьохщілинним, (рисунок 1.7).

а) б)

1-4 - робочі щілини;

П - підвід рідини;

Ц - циліндр;

С - злив рідини.

Рисунок 1.7 - Чотирьохщілинний золотник, що стежить:

а) - напівконструктивна схема;

б) - схематичне зображення.

Для копіювання і відтворення циклу крім прямого зв'язку існує зворотний зв'язок через датчик зворотного зв'язку (ДЗЗ).

Зворотний зв'язок контролює рух штока гідроциліндра і корпуса 2 золотника, що стежить.

Схема працює в такий спосіб (дивись рисунок 1.6): рідина від насоса підводиться в камеру і через дросельне вікно h₁ надходить у поршневу порожнину гідроциліндра. Відкриття дросельного вікна залежить від вхідного сигналу Х₁, що впливає на золотник 1. Якщо, внаслідок дії сили Р, поршень сповільнить свій рух, тобто, то через зворотний зв'язок сповільниться рух і корпуса золотника 2. Дросельне вікно h₁ внаслідок цього збільшується, і більше рідини надійде в гідроциліндр, що приведе до збільшення швидкості руху поршня, поки не стане рівним . На функціональних схемах гідропривід показують у вигляді рисунка 1.7, б.

а) б)

Рисунок 1.7 - Структурне зображення гідроприводу з золотником, що стежить:

а) - без зворотного зв'язку;

б) - зі зворотним зв'язком.

На рисунку 1.7 позначено: W1- передатна функція прямої ланки, W2- передатна функція зворотної ланки.

Електрогідравлічний привод ЕГСП

Електрогідравлічний привод - ЕГСП (рисунок 1.8) включає два каскади керування і наступні елементи:

1 – заслінка (дросельний пристрій типу сопло-заслінка);

2, 3 – сопла (перший каскад керування);

4 – розподільний золотник із закритими робочими вікнами (другий каскад керування);

5, 6 – лінії, що приєднуються до гідродвигуна;

7 – гідродвигун (гідроциліндр);

8 – датчик зворотного зв'язку;

9 – пристрій УМЕ-100;

10 – електромеханічний перетворювач ЕМП.

Рисунок 1.8 – Схема гідроприводу моделі ЕГСП

Цей привод ЕГСП призначений для виконання різних технологічних робіт із програм, що задається на магнітних стрічках, перфокартах, у пам'яті ЕОМ.

Сигнал керування у вигляді напруги надходить в пристрій 9, куди також надходить сигнал від ДОС . Виробляється різниця напруг, що перетворяться в струм , останній надходить у котушку ЭМП. Заслінка притягується, зменшуючи, наприклад, дросельну щілину 11. У результаті цього тиск зростає, стає більше, ніж тиск . Різниця тисківзміщує золотник 4 вліво, відкривається прохідний перетин розподільчого золотника 4, і прохід рідини з лінії А в поршневу порожнину циліндра, що одержує переміщення для виконання механічної роботи. Зі зливальної порожнини циліндра по лінії рідина витісняється на злив у бак. Заслінка ЭМП за допомогою лінійної пружини зв'язана з плунжером 4. Коли сила пружини стане рівній силі на ЭМП, заслінка повернеться із середнього положення, тиски р_а і р_б вирівнюються і золотник зупиниться. У такий спосіб здійснюється переміщення робочого органа по програмі.

Гідроприводи з логічним керуванням

Нехай з пункту контролю деталь скочується по похилій площині, у якій виконані отвори, які зачиняються люками АВСД (рисунок 1.9). Кожен люк відкривається своїм приводом.

Якщо Х₁=1 і Х₂=1, то логічний елемент «И» видає вихідний сигнал У₁=Х₁Х₂, і гідроциліндр 1 відкриває люк А, деталь потрапляє в отвір під люком А. Якщо Х₁=1, а Х₂=0, то відкривається люк В, люк А при цьому закритий. Якщо Х₂=1, а Х₁=0 то поршнем 3 відкривається люк С (люки А і В закриті). Четвертий люк Д (на рисунку не показаний) завжди відкритий, і деталь проходить у прийомний бак через отвір під цим люком при Х₁=0 і Х₂=0 (при цьому інші люки закриті).

Рисунок 1.9 – Схема гідроприводу з логічним елементом

Контрольні питання

1. Як працює гідропривід з відкритою та замкненою системою циркуляції рідини?

2. В чому складається відміна гідроприводу від пневмопривода?

3. Яку функцію виконує зворотній зв'язок в слідкуючому гідроприводі копіювального верстата?

4. Який принцип дії електрогідравлічного слідкуючого привода (ЕГСП)?

5. Яке фізичне тіло називається рідиною?

6. Який стан набувають пара і рідина, які перебувають у невагомості?

7. Які переваги і недоліки має гідропривід?

РОЗДІЛ 2

РОБОЧІ РІДИНИ. ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ

Робоча рідина – фізичне тіло, яке володіє великою рухливістю часток, завжди приймаючи форму судини, у якому воно знаходиться. З погляду гідравліки газ – теж рідина.

Рідини підрозділяються на:

– краплинні (у невагомості утворять краплі);

– газоподібні (у невагомості крапель не утворять).

Краплинні рідини мало стисливі.

Надалі ми будемо приймати рідину як однорідну масу.

Функції виконувані рідинами в ГПА і ГПП:

– передача енергії від джерела до споживача;

– змащування всіх елементів (рухливих і нерухомих);

– перенос тепла.

Найчастіше в гідроприводах застосовуються олії на нафтовій основі: індустріальні олії (Інд 5; 8; 12; 20; 30; 45), турбінні олії (Т20;Т22), веретенні олії.

Для роботи в широкому діапазоні температур застосовуються олії:

– ВМГЗ;

– МГ-30;

– в авіації АМГ-10;

– МВП (приладове).

Недолік мінеральних олій – їхня горючість.

Розроблені також негорючі рідини для роботи в гарячих цехах.

Відповідно до міжнародного стандарту ISO негорючі рідини розділяються на класи:

– водяні емульсії типу "олія у воді", що містять 97% води і 2-3 % олії з добавками;

– водяні емульсії типу "вода в олії", містить 40% олії і 60 % води з додаванням присадок;

– водно-гликолеві рідини, що містять 35-50% води, розчинні гликолі і загусники;

– синтетичні рідини, що не містять води.

Застосовувати воду як робочу рідину не рекомендується, тому що окисляються і корозуются робочі поверхні елементів гідроприводів.

Вимоги до рідини:

– негорючість;

– фізична стабільність;

– хімічна стабільність ( не окисляться або мало окисляться);

– повинна мати стійкість при роботі при високих температурах;

– володіти гарною мастильною здатністю;

– повинна бути сумісна з конструкційними матеріалами;

– рідина не повинна бути забруднена, тому що забруднення потрапляють у щілини і заклинюють робочі органи.

Розроблено 19 класів чистоти робочих рідин.

Фізичні властивості рідини

1. В'язкість – властивість рідини опиратися зрушенню або ковзанню її шарів і обумовлюється внутрішнім тертям рідини.

В'язкість змінюється в широких межах.

Сила тертя між шарами:

де – коефіцієнт рідинного тертя (динамічний коефіцієнт в'язкості);

s – площа шарів, що торкаються;

– градієнт швидкості, що характеризує зміну швидкості рідини по глибині потоку.

Розмірності коефіцієнта рідинного тертя:

; ;

μ звичайно вимірюють в .

Для практичних розрахунків застосовується відносна в'язкість, що враховує кінематичний коефіцієнт в'язкості:

де – щільність рідини.

Розмірності коефіцієнта :

У системі СГС кінематична в'язкість виміряється в стоксах або сантистоксах; 1 сст (сантистокс) = 10^-6 , 1 ст (стокс) = 100 сст.

Умовна в'язкість:

;

де – час витікання 200 см³ через малий отвір діаметром 2.8 мм;

– час витікання дистильованої води через той же отвір при температурі 20 градусів °С.

Переклад одиниць у кінематичну в'язкість:

В'язкість істотно залежить від температури робочої рідини (рисунок 2.1,б):

де – в'язкість при початковій температурі ;

– коефіцієнт, що залежить від сорту олії; ;

– температура рідини при в'язкості .

Для олії коефіцієнти ν і в'язкості визначаються по формулах:

; ,

де , – в'язкість при 50 °С.

В'язкість для повітря

В'язкість залежить від тиску (рисунок 2.1, а):

де , залежить від температури рідини;

– в'язкість при початковому тиску ;

р – тиск рідини при в'язкості μ₁.

повітря

рідина

а) б)

Рисунок 2.1 – Залежності в'язкості від тиску і температури

При тиску порядку МПа олія на нафтовій основі твердіє.

2. Стискальність рідини оцінюється коефіцієнтом стискальності :

, ,

де

;

де – модуль пружності рідини.

Для більшості мінеральних олій при атмосферному тиску: МПа, для повітря: МПа.

Коефіцієнт стискальності використовується при динамічних розрахунках, при розрахунках амортизаторів, гідравлічних пружин.

Коефіцієнт залежить від тиску рідини. При тиску до 150 МПа:

Щільність рідини

3. Щільність дорівнює:

; .

Щільність рідини незначно залежить від тиску.

При МПа (200)

де – щільність при атмосферному тиску.

Щільність для газу

де R – універсальна газова постійна, =287 Дж/кг ДО (для повітря);

р – тиск газу;

Т – температура газу в К.

Щільність рідини від температури виражається за допомогою статичних рядів

;

де ρ – щільність рідини при температурі Т,

Для технічних цілей

;

чи

де

Одержуємо формулу Менделєєва:

Щільність для повітря:

4. Температурне розширення рідини оцінюється коефіцієнтом температурного розширення :

де ; – зміни обсягу і температури при

підвищенні температури від Т₁ до Т₀;

– початковий обсяг;

V_Т – новий обсяг.

При тиску до 15 МПа (150 ) – ;

для повітря:

5. Розчинність повітря в рідинах.

У розчиненому стані повітря знаходиться приблизно в обсязі 10% від загального обсягу, але також є рідина в нерозчиненому стані до 5% у виді пухирців. Повітря необхідно видаляти із системи, тому що воно приводить до явища кавітації і до різкого зниження модуля пружності рідини. Кавітація виникає тоді, коли тиск знижується до тиску насичених пар, тобто до тиску, при якому у стані рівноваги знаходиться розчинене повітря.

Для індустріальних олій тиск насиченої пари складає 1-3 мм рт. ст., причому 1 кгс/м²=760 мм рт. ст.

Створити в реальній системі тиск, при якому виділяються пари практично неможливо, тому що при більш високому тиску починає виділятися повітря.

6. Кислотність рідини - характеризується кількістю їдкого калію в мг, необхідного для нейтралізації кислот, що містяться в одному грамі рідини.

Наявність кислот у рідині приводить до утворення (при взаємодії з O₂) коричневі плівки на регулювальних органах, датчиках, що у свою чергу є причиною їхнього заклинювання.

Кислотність для індустріальних і турбінних олій приведена в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Кислотність індустріальних і турбінних олій

Інд 12	Інд 20	Інд 30	Турб 22	Турб 30
0,14	0,14	0,2	0,02	0,02

Контрольні питання

1. Які негорючі рідини застосовуються в машинах?

2. Які одиниці виміру умовної, кінематичної і динамічної в'язкості в системі СІ?

3. Як визначити динамічну в'язкість робочої рідини, якщо відома умовна в'язкість?

4. Що перешкоджає створити в гідроприводі тиск, при якому виділяються пари?

5. Що називається щільністю рідини і які одиниці її виміру?

6. Що називається в'язкістю рідини і від чого вона залежить?

7. Що визначає кислотність рідини?

РОЗДІЛ 3

ГІДРАВЛІКА ТРУБОПРОВОДІВ

Внаслідок тертя рідини об стінки трубопроводів і між шарами рідини відбуваються втрати енергії. Втрати енергії звичайно не повинні перевищувати 1 - 2 = 0,1 - 0,2 МПа.

Трубопроводи найчастіше виконуються у вигляді:

- сталевих труб;

- рідше застосовують дюралеві, латунні, нержавіючі труби і ін.;

- гумовотканинні рукави;

- у вигляді циліндричних каналів у комунікаційних плитах (стиковий монтаж);

- у вигляді отворів невеликої довжини (модульний монтаж).

Основні закономірності руху рідини в трубах

Сили, що діють на рідини і гази, поділяються на:

- масові сили (інерції, відцентрові, земного тяжіння, тобто сили пропорційні масі по формулі Ньютона ); питома сила:

чисельно дорівнює прискоренню.

- поверхневі сили, сили пропорційні площі (рисунок 3.1); одинична поверхнева сила тиску:

;

де ΔР - нормальна складова сила тиску рідини;

ΔТ - сила тертя рідини;

ΔS - площа на яку діє сила ΔR.

потік

Рисунок 3.1 - Поверхнева сила ΔR, що діє на площу ΔS

Тиск у системі СІ вимірюється в паскалях ().

У технічній системі одиниць виміру (за показниками манометра)

1 = 1 .

Застосовуються більш укрупнені величини тиску, наприклад, 1 МПа = =10⁶Па0,10 .

Якщо тиск виміряється від 0 (нульового рівня), то він називається абсолютним. На рисунку 3.2 показані р_надл- надлишковий тиск, р_атм- атмосферний тиск; р_абс= р_атм+ р_надл- абсолютний тиск.

р_надл

Рисунок 3.2 - Зміна тиску

Основні рівняння рівноваги і руху рідини, сформульовані Ейлером:

а) Основне рівняння гідростатики (рівняння рівноваги рідини):

де - поверхневий тиск, що діє на рідину;

- висота шару рідини;

ρ - щільність рідини.

При цьому тиск не залежить від форми судини.

б) Рівняння руху рідини (основне рівняння чи гідродинаміки рівняння Бернуллі):

де Ζ₁, Ζ₂- висоти перетинів 1 і 2 над площиною порівняння.

Дане рівняння записане для ідеальної рідини для двох перетинів 1 і 2 без обліку втрат енергії.

Трубка з прямим кінцем називається п’єзометр, із кривим кінцем - трубкою Піто. П’єзометр вимірює гідростатичний тиск, а трубка Піто - гідродинамічний тиск.

Рівняння Бернуллі виражає собою рівняння збереження питомих енергій:

де - питома потенційна енергія положення рідини і її тисків;

- питома кінетична енергія рідини.

лінія повного напору

Рисунок 3.3 - Зміна питомої енергії рідини по довжині трубопроводу

Рівняння Бернуллі для реальної рідини з урахуванням втрат записується у вигляді:

де α₁,α₂ - коефіцієнти нерівномірності швидкості рідини в перетинах 1 і 2;

Δh - втрати напору між перетинами 1 і 2.

Рухи рідини в трубах підрозділяють на два види: сталий рух і несталий рух.

Для сталого руху:

;

для несталого:

де t – час.

Рух рідини в потоці визначається перемінним значенням швидкості, однак, розрахунки роблять по середній швидкості - це швидкість, при якій у поперечному перерізі трубопроводу проходить стільки рідини, скільки її проходить при дійсних швидкостях. Надалі індекс «порівн» опускаємо, але пам'ятаємо, що розрахунки виконуються при середній швидкості, тобто